核電廠SBO柴油發(fā)電機組抗震分析

尤國英， 葉昌錚， 劉銀芳

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所無錫分部， 江蘇無錫 214151)

為保障核電廠運行的安全可靠性，有關(guān)核安全的法規(guī)、導則和有關(guān)抗震設(shè)計、鑒定的標準相繼發(fā)布，如RCC-M規(guī)范[1]、ASME-Ⅲ規(guī)范[2]。抗震設(shè)計、鑒定的目的是保證設(shè)備在發(fā)生安全停堆地震時能夠維持其結(jié)構(gòu)完整性和可運行性，并執(zhí)行其安全功能[3]。

設(shè)備的抗震鑒定方法有試驗法、分析法、經(jīng)驗法，以及將以上方法結(jié)合的方法[4]。電氣設(shè)備大多采用試驗法鑒定，也可采用分析法鑒定。抗震分析通常采用反應譜法，但對于第1階固有頻率高于33 Hz的剛性結(jié)構(gòu)，可采用等效靜力法，其計算結(jié)果偏于保守[5-6]。分析法有其特殊的優(yōu)越性，通過計算可得到結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)和任意位置的地震響應，再反過來指導設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。

核電廠SBO(全廠斷電事故工況)柴油發(fā)電機組作為備用電源的主要設(shè)備之一，其主要功能是在場外電源、主發(fā)電機和應急柴油發(fā)電機組供電均丟失的情況下，向設(shè)計負載供電，保障安全級系統(tǒng)和部件的電力供應，從而確保反應堆的亞臨界度和冷卻，或限制反應堆污染的放射性。SBO柴油發(fā)電機組屬于安全重要非安全級(F-SC3級)設(shè)備，抗震類別為Ⅰ類，必須經(jīng)過抗震鑒定。

采用有限元法建立了某核電廠SBO柴油發(fā)電機組抗震分析的3個力學模型(機組撬體模型、柴油機模型、發(fā)電機模型)，采用反應譜法對機組撬體模型進行抗震分析，采用等效靜力法對柴油機模型、發(fā)電機模型進行抗震分析，地震載荷等效為慣性力，其加速度值取自于機組撬體模型的計算結(jié)果。

1 設(shè)備概況

該SBO柴油發(fā)電機組的額定功率為3 100 kW，額定電壓為10 kV，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，設(shè)計壽命為60 a，柴油機型號為16V280ZLD，發(fā)電機型號為ZFC7 505-65E。柴油機、發(fā)電機及輔助設(shè)備集成在公共底架上，組成一個撬體結(jié)構(gòu)，具體見圖1。公共底架底部設(shè)有隔振器，通過地腳螺栓與基礎(chǔ)固定。

圖1 柴油發(fā)電機組撬體結(jié)構(gòu)

2 計算方法

采用SolidWorks三維設(shè)計軟件[7]建立機組撬體和發(fā)電機的幾何模型，將幾何模型導入ANSYS Workbench有限元分析軟件[8]，進行網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、加載并求解，最后進行結(jié)果處理。采用PATRAN前后處理軟件[9]建立柴油機的幾何模型，并進行網(wǎng)格劃分、加載及參數(shù)設(shè)置，再調(diào)用NASTRAN有限元分析軟件[10]進行求解，最后將計算結(jié)果導入PATRAN軟件進行后處理。

抗震分析主要包括：

(1) 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

(2) 地震響應分析。對于機組撬體模型，采用反應譜法進行地震響應分析，并采用平方和開平方(SRSS)法進行組合；對于柴油機、發(fā)電機模型，采用等效靜力法進行地震響應分析，將地震載荷作為慣性力作用于質(zhì)心。

(3) 應力評定和位移評定。將地震載荷與其他載荷(如自重載荷、接管推力載荷、運行載荷等)的響應進行疊加，依據(jù)規(guī)范要求按不同載荷準則進行應力評定和位移評定。

3 力學模型

3.1 有限元網(wǎng)格模型

3.1.1 機組撬體

機組撬體由公共底架、隔振器，以及安裝在底架上的主設(shè)備(柴油機、發(fā)電機)和輔助設(shè)備(如滑油冷卻器、滑油精濾器、強制循環(huán)式水預熱器、電動盤車裝置、空氣啟動電動機等)組成。將設(shè)備簡化為質(zhì)量塊，底架下的隔振器用彈簧阻尼單元模擬。采用SOLID185實體單元劃分網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格模型見圖2，彈簧一端接地，作為固定約束。地震載荷通過彈簧傳遞到結(jié)構(gòu)上。

圖2 機組撬體有限元網(wǎng)格模型

3.1.2 發(fā)電機

發(fā)電機由機座、支架、隔板、端蓋、轉(zhuǎn)軸、軸承座、風扇、轉(zhuǎn)子繞組、定子繞組等部件組成。采用SOLID185實體單元和SHELL181板殼單元劃分網(wǎng)格。發(fā)電機有限元網(wǎng)格模型見圖3，機座底板安裝螺栓孔處作為固定邊界約束。

圖3 發(fā)電機有限元網(wǎng)格模型

3.1.3 柴油機

柴油機由機體、支座、油底殼、曲軸、活塞、連桿、缸套、軸承座、進排氣管、中冷器、渦輪增壓器、彈性聯(lián)軸器等部件組成，一些次要部件簡化為集中質(zhì)量。大部分部件為板殼結(jié)構(gòu)，采用板殼單元(SHELL)劃分網(wǎng)格，曲軸、連桿等線型結(jié)構(gòu)采用梁單元(BEAM)模擬，連接螺栓采用剛性單元(RBE2)模擬。柴油機有限元網(wǎng)格模型見圖4，支座底板安裝螺栓孔處作為固定邊界約束。

圖4 柴油機有限元網(wǎng)格模型

3.2 材料參數(shù)

表1為設(shè)備主要部件的材料性能參數(shù)。設(shè)備或部件采用高強度螺栓進行連接固定，表2為設(shè)備主要承載螺栓的性能參數(shù)。

表1 材料的性能參數(shù)

表2 螺栓的性能參數(shù)

3.3 載荷條件

機組受到的載荷包括結(jié)構(gòu)自重載荷DW、柴油機運行載荷(如柴油機驅(qū)動扭矩載荷TN、部件內(nèi)壓載荷P、溫度載荷T、外部接管載荷NL)、發(fā)電機發(fā)生兩相短路故障時的電磁力矩載荷EMT2、安全停堆地震載荷SSE。機組撬體模型輸入的地震載荷，采用了機組所處樓層反應譜的包絡(luò)譜(見表3)。

表3 樓層反應譜包絡(luò)譜

依據(jù)RCC-M規(guī)范，按A級和C級載荷準則進行應力和位移評定，分別對應于正常工況和事故工況。正常工況和事故工況的載荷組合見表4。

表4 正常工況和事故工況的載荷組合

4 應力和位移限值

4.1 板殼型結(jié)構(gòu)的應力限值

根據(jù)RCC-M規(guī)范，對于板殼型結(jié)構(gòu)，應力限值見表5，其中：Pm為一次總體薄膜應力；Pb為一次彎曲應力；Pe為二次膨脹應力；S為材料基本許用應力，S取2Sy/3和Su/4中的較小值(Sy為屈服強度、Su為抗拉強度)。對于實體單元，通過應力線性化方法提取薄膜應力和彎曲應力，可參照板殼型結(jié)構(gòu)進行應力評定。

表5 板殼型結(jié)構(gòu)的應力限值

4.2 線型結(jié)構(gòu)的應力限值

根據(jù)RCC-M規(guī)范，對于曲軸、連桿等線型結(jié)構(gòu)，應力限值見表6，其中：fa、fb分別為梁截面拉壓應力和彎曲應力；Fa、Fb分別為材料拉壓和彎曲許用應力。

表6 線型結(jié)構(gòu)的應力限值

4.3 螺栓的應力限值

根據(jù)RCC-M 規(guī)范，螺栓的應力限值見表7，其中：ft為拉應力；fv為剪應力；Ftb為許用拉應力；Fvb為許用剪應力。

表7 螺栓的應力限值

4.4 位移限值

為保證發(fā)電機的運行可靠性，必須對發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的變形進行限制，以避免轉(zhuǎn)動部件與靜止部件因結(jié)構(gòu)變形而發(fā)生摩擦。設(shè)備廠家提供的發(fā)電機可運行性要求為：轉(zhuǎn)子與定子之間的最大相對位移應不大于初始氣隙(7.7 mm)的十分之一。

5 結(jié)果與評定

5.1 固有頻率

3個結(jié)構(gòu)的前10階固有頻率見表8。機組撬體的前6階振型為隔振器變形產(chǎn)生的整體振動，第7階振型為整體垂直振動(公共底架發(fā)生彎曲變形)；發(fā)電機的第1階至第5階振型為轉(zhuǎn)軸或機座拉筋彎曲振動(局部模態(tài))，第6階振型為整體軸向振動；柴油機的第1階振型為彈性聯(lián)軸器軸向振動(局部模態(tài))，第2階振型為整體橫向振動。

表8 各結(jié)構(gòu)的固有頻率

結(jié)構(gòu)的第1階、第7階模態(tài)振型分別見圖5和圖6。

圖5 結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)振型

圖6 結(jié)構(gòu)的第7階模態(tài)振型

5.2 響應加速度

表9為機組各設(shè)備的最大響應加速度。在對公共底架上的設(shè)備進行抗震分析時，該響應加速度可以作為地震載荷的輸入?yún)?shù)。

表9 最大響應加速度

5.3 應力評定

結(jié)構(gòu)應力按最大主應力進行評定。正常工況下，公共底架、發(fā)電機、柴油機的結(jié)構(gòu)應力不大，均小于應力限值，故不進行詳細介紹。事故工況下，公共底架最大主應力為80.5 MPa，小于應力限值(93.5 MPa)，強度滿足要求。事故工況下，發(fā)電機最大主應力為186.8 MPa，位于轉(zhuǎn)軸上后軸承支撐處，經(jīng)應力線性化后，最大薄膜應力為30.5 MPa，小于應力限值(112.2 MPa)，最大薄膜應力+彎曲應力為153.8 MPa，小于應力限值(168.3 MPa)，強度滿足要求。事故工況下，柴油機相關(guān)部件的應力評定結(jié)果見表10、表11，各部件強度均滿足要求。

表10 柴油機部件應力評定

表11 柴油機線型結(jié)構(gòu)部件應力評定

螺栓受力通過提取約束反力得到，并考慮螺栓預緊力，然后計算螺栓的拉應力和剪應力。事故工況下，發(fā)電機、柴油機、隔振器的安裝螺栓的應力評定結(jié)果見表12，各螺栓強度滿足要求。

表12 螺栓應力評定

5.4 位移評定

為驗證機組的可運行性，需要對發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的變形進行校核。考慮最嚴格的載荷條件，即地震事故與發(fā)電機短路故障同時發(fā)生。此時，發(fā)電機定子與轉(zhuǎn)子間的最大相對位移為0.737 mm，小于許用值(0.77 mm)，滿足可運行性要求，發(fā)電機能夠維持正常運行。

6 結(jié)語

應用有限元法對某核電廠SBO柴油發(fā)電機組進行抗震分析，依據(jù)RCC-M規(guī)范的要求對機組的主要部件(發(fā)電機、柴油機、公共底架)及主要承載螺栓進行應力評定，并對發(fā)電機軸的變形進行校核。在正常工況和事故工況下，機組各部件和螺栓的應力小于許用值，發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子之間的最大相對位移小于許用值。因此，柴油發(fā)電機組在正常工況和事故工況下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和可運行性，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求。所提出的分析方法對核電廠設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計和抗震安全評估有一定的參考價值。