某工程熱室窺視窗抗震計(jì)算分析

李陽，劉海鋒

（中國核電工程有限公司河北分公司，石家莊 050019）

0 引言

熱室是典型的箱室設(shè)備，外部設(shè)有屏蔽層，內(nèi)部處理或貯存的物料具有強(qiáng)γ放射性活度或中子輻射[1]。窺視窗是箱室類設(shè)計(jì)過程中的重要設(shè)備，要求窺視系統(tǒng)能夠觀察到熱室內(nèi)的整個(gè)工作區(qū)，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械手的所有操作工作均應(yīng)可見。窺視窗主要用于操作人員觀察熱室內(nèi)操作設(shè)備情況，并保證熱室的氣密性和輻射屏蔽要求，是核工程非標(biāo)設(shè)備中不可缺少的重要設(shè)備之一[2]。窺視窗結(jié)構(gòu)主要包括多層窗玻璃及玻璃框、窺視窗中框、窺視窗外框和連接件等，不同類型鉛玻璃（ZF6、ZF7、ZF501、K509和K709鉛玻璃等）組合在一起，完成窺視窗的屏蔽功能[3]。

窺視窗安裝在熱室或鉛室的墻上，主要用于工作人員觀察室內(nèi)操作設(shè)備的情況。窺視窗由多層窗玻璃（鋼化玻璃與鉛玻璃）、窺視窗中框、外框、連接件等組成；其中各層窗玻璃組件依次裝在中框中，兩端各用端蓋或壓框固定，中框整體固定在防護(hù)層墻面上；外框與混凝土整體澆筑或與其他支撐件約束。整個(gè)窺視窗系統(tǒng)中，中框結(jié)構(gòu)為主要受力部件，中框與防護(hù)層連接螺栓為主要受力螺栓。

為了保證窺視窗在地震狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)完整性，需要對窺視窗進(jìn)行抗震計(jì)算。通過計(jì)算窺視窗在自重和SSE地震作用下中框和連接螺栓的受力情況，評定窺視窗的抗震性能[4]。

1 熱室窺視窗的組成

窺視窗結(jié)構(gòu)主要包括多層窗玻璃及玻璃框、窺視窗中框、窺視窗外框、連接件和壓蓋等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 熱室窺視窗結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 多層窗玻璃及玻璃框

窗玻璃由鉛玻璃（或鋼化玻璃）、玻璃框、壓板和密封橡膠墊組成。

國產(chǎn)耐輻射、防輻射玻璃型號分別為K509、K709和ZF6，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 ZF6、ZF501和K509的性能參數(shù)[5]

玻璃框材料為碳鋼，主要是保護(hù)鉛玻璃（或鋼化玻璃），或者作為連接件固定在窺視窗中框上。鉛玻璃（或鋼化玻璃）通過壓板和密封橡膠墊安裝在玻璃框內(nèi)。玻璃框和壓板均設(shè)置倒角，倒角與鉛玻璃倒角相吻合，防止碰傷玻璃。

窺視窗內(nèi)側(cè)鉛玻璃由連接件固定安裝在窺視窗外框安裝在熱室（鉛室）內(nèi)，當(dāng)窺視窗鉛玻璃更換拆裝時(shí)，可起到鉛室密封作用。接著由內(nèi)到外為帶有玻璃框的多塊鉛玻璃。為保護(hù)鉛玻璃不受損壞，在外部加一塊鋼化玻璃，由玻璃框固定安裝在窺視窗外框。窗玻璃的設(shè)計(jì)應(yīng)可一組一組地裝入窺視窗中框。

1.2 窺視窗中框

窺視窗中框尺寸應(yīng)根據(jù)窺視窗外框及窗玻璃尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，中框外側(cè)與外框內(nèi)方孔的配合設(shè)計(jì)為階梯狀，防止射線直穿。中框內(nèi)方孔的設(shè)計(jì)與鉛玻璃框配合，設(shè)計(jì)為階梯狀或其他形式。中框內(nèi)方孔的階梯狀結(jié)構(gòu)為外大內(nèi)小結(jié)構(gòu)，既便于窺視窗的整體拉出，也便于將鉛玻璃從中框內(nèi)單塊拆出。

1.3 窺視窗外框

窺視窗外框與窺視窗中框的尺寸相配合，外框內(nèi)側(cè)與中框外側(cè)的配合設(shè)計(jì)為階梯狀，防止射線直穿。

1.4 連接件

連接件一方面用于固定最內(nèi)側(cè)鉛玻璃并起密封作用；另一方面，用于固定窺視窗外框，并與熱室殼體焊接。

1.5 壓蓋

壓蓋安裝在窺視窗最外側(cè)，起到固定鋼化玻璃、連接固定窺視窗中框、外框，提供窗蓋安裝接口的作用。

2 參數(shù)與工況

2.1 材料參數(shù)

熱室窺視窗主體材料選用Q235B，連接件及連接螺栓的材料選用06Cr19Ni10，根據(jù)《ASME第二卷D篇2015版》與《GB700碳素結(jié)構(gòu)鋼》，各材料力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 材料力學(xué)性能

2.2 工況

1）設(shè)計(jì)工況：設(shè)計(jì)工況下的熱室窺視窗的自重；

2）異常工況：異常工況下的熱室密封門自重和OBE；

3）事故工況：事故工況下的熱室密封門自重和SSE。

2.3 地震輸入載荷

地震輸入載荷如表3所示。

表3 地震輸入載荷

3 評定方法

窺視窗抗震分析，主要評價(jià)窺視窗中框、中框與防護(hù)屏墻體的連接螺栓。分析時(shí)考慮的計(jì)算載荷主要包括自重與地震載荷。不同工況組合如表4所示。

表4 準(zhǔn)則和應(yīng)力限值

窺視窗中框與連接螺栓主要根據(jù)《ASME第三卷第一冊NF分卷2015版》與《ASME 附錄F》的要求進(jìn)行分析，其中窺視窗中框?qū)儆谌壈鍤ば椭渭瑓⒖糔F3260與NF3552的要求進(jìn)行評定，螺栓參考NF3324進(jìn)行評定。中框應(yīng)力限值如表5所示。

表5 中框應(yīng)力限值

螺栓單獨(dú)受的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力限值如表6所示。

表6 連接螺栓應(yīng)力限值

根據(jù)《ASME第3卷第1冊NF分卷2015版》中NF.3324.6的要求，螺栓組合應(yīng)力限值評定公式為

其中：

式中：ft為計(jì)算的拉應(yīng)力，MPa；fv為計(jì)算的剪應(yīng)力，MPa；Ftb為在工作溫度下的許用拉應(yīng)力，MPa；Fvb為在工作溫度下的許用剪應(yīng)力，MPa；Su為工作溫度下材料的極限抗拉強(qiáng)度值，由文獻(xiàn)查得304材料抗拉強(qiáng)度為517 MPa。

4 有限元模型及計(jì)算方法

4.1 計(jì)算方法

采用有限元方法計(jì)算結(jié)構(gòu)在各種載荷下的應(yīng)力。地震作用的計(jì)算采用BLOCK LANCZOS法提取結(jié)構(gòu)模態(tài)，用響應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，用SRSS法對各階模態(tài)組合，用SRSS法組合三向地震作用。

4.2 計(jì)算模型

熱室窺視窗模型主要采用實(shí)體單元solid186 和solid187建立。為計(jì)算方便，各部件之間螺栓連接面均設(shè)為綁定接觸。其中中框?yàn)橹饕芰Y(jié)構(gòu)，其與防護(hù)屏連接的螺栓為主要受力螺栓，采用梁單元建立螺栓結(jié)構(gòu)與防護(hù)屏約束。各玻璃組件主要固定在中框內(nèi)部，非受力結(jié)構(gòu)，建立等效質(zhì)點(diǎn)作用在端蓋與壓框上。為了安全起見，同樣把中框內(nèi)各玻璃組件重力等效為壓力作用在中框的下底板上，外框外表面采用固定約束。網(wǎng)格劃分如圖2所示，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為509 291，元素?cái)?shù)量為223 281，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.82。

圖2 熱室窺視窗有限元模型

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

對熱室窺視窗有限元模型作模態(tài)分析，模型計(jì)算了前12階頻率，計(jì)算結(jié)果如表7所示，前6階振型如圖3～圖8所示。設(shè)備的第一階固有頻率高于33 Hz，可以采用等效靜力法進(jìn)行計(jì)算[6]。故采用等效靜力法進(jìn)行計(jì)算，事故工況計(jì)算時(shí)，取1.5倍的反應(yīng)譜峰值加速度。

圖3 窺視窗第1階振型

圖4 窺視窗第2階振型

圖5 窺視窗第3階振型

圖6 窺視窗第4階振型

圖7 窺視窗第5階振型

圖8 窺視窗第6階振型

表7 前6階模態(tài)計(jì)算結(jié)果

5 應(yīng)力分析與評定

5.1 窺視窗中框計(jì)算與評定

對設(shè)計(jì)工況（正常工況）、異常工況和事故工況下進(jìn)行窺視窗的計(jì)算，得到3種工況下窺視窗應(yīng)力分布，如圖9～圖11所示。

圖9 正常工況下窺視窗應(yīng)力云圖

圖10 異常工況下窺視窗應(yīng)力云圖

圖11 事故工況下窺視窗應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，設(shè)計(jì)工況（正常工況）下最小主應(yīng)力為-22.873 MPa，異常工況下最小主應(yīng)力為-38.952 MPa，事故工況下最小主應(yīng)力為-39.859 MPa。

對各級工況比較最大主應(yīng)力或最小主應(yīng)力，取絕對值最大位置處劃分路徑進(jìn)行評定，得出該位置在各工況下的σm和σm（或σl）+σb應(yīng)力值，如表8所示。

表8 中框計(jì)算結(jié)果評定

將設(shè)計(jì)工況（正常工況）、異常工況和事故工況下中框計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力限值分別對比，計(jì)算結(jié)果均小于應(yīng)力限值，表明設(shè)計(jì)的窺視窗中框滿足抗震要求。

5.2 連接螺栓計(jì)算與評定

根據(jù)式（1）的要求，選取窺視窗中受力最大的螺栓分別在設(shè)計(jì)工況（正常工況）、異常工況和事故工況進(jìn)行評價(jià)。最大受力螺栓為中框與防護(hù)屏的連接螺栓，選擇其中受力最大螺栓評定，有效直徑按11 mm計(jì)算，得出各工況下螺栓的各方向受力如表9所示。

表9 螺栓各方向受力N

分別計(jì)算螺栓在不同工況下的應(yīng)力，并進(jìn)行評定，如表10所示。

表10 螺栓應(yīng)力與評定

通過計(jì)算螺栓在不同工況下的應(yīng)力值及公式（1）值，

不同工況下公式（1）值均小于1，滿足螺栓組合應(yīng)力限值評定要求。

6 結(jié)論

本文通過對窺視窗在設(shè)計(jì)工況（正常工況）、異常工況和事故工況下自重和地震載荷作用下的應(yīng)力分析，并根據(jù)《ASME第3卷第1冊NF分卷2015版》與《ASME附錄F》對窺視窗中框和螺栓分別進(jìn)行了應(yīng)力評定，結(jié)果表明，窺視窗滿足規(guī)范中的應(yīng)力評定限值。