電氣貫穿件安裝角度變化對其力學性能的影響

邱新媛，段緒星，胡俊杰，陳 青，郭 星，王廣金，趙雨恒，姚建鋒，鄢家鑫

（中國核動力研究設計院，四川成都 610213）

0 引言

電氣貫穿件是安裝在核電廠安全殼上用于電纜貫穿的關鍵電氣設備，優良的電氣性能和力學性能是電氣貫穿件的主要技術特征，要求其在反應堆正常運行和事故工況下，能夠維持設備電氣連續性和安全殼壓力邊界的完整性[1]。華龍一號某機組項目現場貫穿件預埋套管土建施工時發生旋轉，頂部螺栓定位孔偏離原始設計的垂直方向；套管上3 個螺栓定位孔仍保持120°均勻分布，但定位孔角度偏差最多達到20°，使現場電氣貫穿件筒體組件定位安裝角度發生變化（圖1）。

圖1 現場預埋套管安裝情況

電氣貫穿件的電氣性能主要由導體組件本身的質量和可靠接線來保證。導體組件在出廠時已經過絕緣電阻、耐壓等多項檢測[2]，導體組件與電氣貫穿件筒體之間通過密封組件實現安裝和密封。電氣貫穿件導體的接線通常在完成設備的安裝后進行，為保證電氣連接的可靠性，在進行現場接線時，均采用專用工具按照各接線器安裝說明文件進行操作，用力矩扳手嚴格按照規定的數值進行緊固。并且，在完成接線后，會對電氣貫穿件進行一系列電氣性能檢測，檢測通過后方可正式使用。因此，電氣貫穿件定位安裝角度變化對其電氣性能的影響較小。

由于電氣貫穿件定位安裝角度的變化，使設備本體受到的約束有所差異，其固有特性和各種載荷作用下的響應會發生改變，進而影響電氣貫穿件各個關鍵部件的應力分布情況，這可能會對設備運行產生影響。因此，有必要對定位安裝角度變化后的電氣貫穿件進行力學評估，確保電氣貫穿件在定位安裝角度改變后仍然具有較好的強度和剛度。

目前，對核電廠設備的力學評估主要針對抗震能力，分為試驗法和分析法。試驗法是通過模擬地震條件來對設備進行抗震試驗，進而驗證設備在各種地震工況下的結構及功能的完整性，如劉明星等[3]、劉凱雁等[4]對地震模擬振動臺輸入地震譜，開展了多次OBE（運行基準地震）和SSE（安全停堆地震）抗震試驗，對DCS 機柜和消氫風機的抗震性能進行了驗證。而分析法主要通過構建能夠真實反映設備特性的數學模型來進行，多基于有限元原理來開展，如季小威等[5]采用有限元軟件，基于等效靜力法對反應堆壓力容器進行了應力分析，陳曦等[6]基于響應譜法對核吊環進行抗震分析，上述分析方法的應用均能夠對設備在地震載荷工況下的結構完整性進行驗證。

針對電氣貫穿件在實際安裝過程中存在的安裝角度差異，主要采用有限元軟件，計算電氣貫穿件在多種載荷共同作用下的響應，并對電氣貫穿件的關鍵部件進行應力分析和評定，進而對電氣貫穿件在定位安裝角度變化后的力學性能進行影響評估，為現場安裝提供理論依據。

1 設備描述

電氣貫穿件為機械安全2 級、電氣1E 級、抗震I 類設備，主要由筒體、端板、法蘭、接線箱、導體組件等部件組成，法蘭與安全殼預埋套管進行焊接，將設備固定在安全殼墻體上。在貫穿件另一端有3 個定位螺栓成120°均勻分布，以保證電氣貫穿件的對中和定位。在進行分析計算時，忽略導體組件及其余部件的影響，將其質量均布在筒體上，電氣貫穿件整體有限元模型采用體單元模擬，有限元模型如圖2 所示，X、Z 為水平向，Y 為垂直向。

圖2 電氣貫穿件有限元模型

1.1 邊界條件

電氣貫穿件一側的法蘭與預埋套管焊接，因此對法蘭焊接面施加固定約束。對另一側3 個定位螺栓，約束其對應節點2 個徑向（X 向、Y 向）上的平動自由度。

1.2 材料屬性

電氣貫穿件筒體材料為HD245，端板材料為0Gr18Ni9，上述材料的物理性能見表1。電氣貫穿件正常運行最高溫度為55 ℃，事故工況下的最高溫度為154 ℃。

表1 材料物理性能參數

2 模態分析

分別針對2 種安裝狀態，即正常安裝方式和角度變化后的安裝方式，采用有限元軟件提取2 種狀態下電氣貫穿件的前4階模態，如圖3 所示，其固有頻率見表2。

表2 電氣貫件安裝方式變化前后的前4 階固有頻率 Hz

圖3 定位安裝角度變化后的前4 階振型

由結果可知，定位安裝角度變化后，設備的固有頻率變化較小，設備的各階振型仍然表現為某一端接線箱的上下或左右振動。

3 應力分析及評定

為了充分評估定位安裝角度變化后，電氣貫穿件的各個關鍵部件應力是否處在允許的范圍內，針對典型載荷組合工況，對設備進行應力分析及評定。

3.1 載荷條件

（1）自重。重力加速度：g=9.81 m/s2。

（2）壓強（絕對壓強）。電氣貫穿件運行時筒體內部壓強為0.35 MPa；嚴重事故工況下，電氣貫穿件安全殼內側受到的壓強最大為0.52 MPa。

（3）地震載荷。電氣貫穿件作為抗震1 類設備，要求其在OBE和SSE 地震載荷下能夠保持設備的功能完整性，對于電氣貫穿件所受的地震載荷，考慮更為嚴酷的SSE 工況，采用電氣貫穿件安裝位置處的SSE 反應譜作為計算輸入，阻尼比取5%（表3）。

表3 地震譜

3.2 載荷組合

在對電氣貫穿件進行計算分析時，必須將實際使用期間預期會出現或假定會出現的所有運行和事故工況全部考慮在內，一般在設計電氣貫穿件時應考慮的載荷有壓力、自重、溫度和地震等。本文僅計算RCC-M 規范中等級為A 和D 的載荷組合[7]，即正常工況和事故工況，載荷組合方式見表4。其中，DW 為自重，Pope為運行壓力，Ploca為事故壓力，SSE 為安全停堆地震載荷。

表4 各工況下的載荷組合方式

3.3 計算方法

本節對定位安裝角度變化后的電氣貫穿件進行應力計算。將定位位置沿軸向逆時針旋轉20°后進行，載荷和約束條件保持不變。

由于電氣貫穿件固有頻率大于33 Hz，采用等效靜力法[8-9]進行抗震分析。根據GB 50267—2019《核電廠抗震設計標準》的規定[10]，設備受到的地震輸入可簡化為等效靜力作用，按照下式進行計算：

式中 F——設備質心的地震作用力，N

η——多頻效應系數，取1.5

G——設備總重力載荷，N

g——重力加速度，m/s2

Sa——設備所在處樓層反應譜的最大譜幅值，m/s2

根據式（1），進行抗震計算的輸入水平向加速度為6.798g，豎直向加速度為4.254g。

為準確評估電氣貫穿件在各種載荷工況下的響應，首先采用靜力分析對電氣貫穿件在自重和壓力作用下的應力進行計算，隨后采用等效靜力法對電氣貫穿件的抗震性能進行分析。最后將應力結果根據載荷組合方式，與自重和壓力作用下的結果進行疊加，得到電氣貫穿件在組合載荷工況下的應力。

3.4 應力評定準則

根據RCC-M C3300 對二級設備的規定，A 級和D 級使用工況下電氣貫穿件的應力限值見表5。其中，σ1表示一次薄膜應力強度；σ1+σ2表示一次薄膜加彎曲應力強度；S 表示材料在所考慮使用等級下達到最高溫度時的許用應力強度，具體值取自RCC-M 的Z 篇。

表5 二級設備應力強度限值

3.5 組合載荷作用下的應力結果及評定

根據3.3 節的計算方法，可得到電氣貫穿件在A 級和D 級組合載荷工況下的應力結果，如圖4、圖5 所示。

圖4 A 級工況下各部件的應力分布

圖5 D 級工況下各個部件的應力分布

完成應力計算后，采用線處理法對電氣貫穿件各個關鍵部件（筒體和端板）進行應力處理，按照RCC-M 規范進行應力評定。在有限元軟件中首先計算出各個部件的應力分布，然后根據設備特點按選擇的危險截面劃出應力處理線。線性化路徑定義后，在處理線上將應力進行均勻化和當量線性化處理，完成應力分類。均勻化處理后的平均應力屬于薄膜應力成分，當量線性化處理后的線性應力屬于彎曲應力成分，結果見表6。

表6 不同使用等級載荷下貫穿件主要部件最大截面應力強度 MPa

根據上述應力評定結果可知，電氣貫穿件各個部件在A 級和D 級載荷下（即正常運行工況和事故工況下）的薄膜應力、薄膜及彎曲應力合力均小于限值，依舊滿足RCC-M 規范要求。因此，電氣貫穿件在定位安裝角度變化后具有較好的學學性能。

4 結論

本文主要研究了定位安裝角度變化對電氣貫穿件力學性能的影響，采用等效靜力法對角度變化后電氣貫穿件的應力分布進行了計算和評定，得到如下結論：①電氣貫穿件前4 階振型改變較小，定位安裝角度變化對設備整體剛度的影響不大；②電氣貫穿件在典型載荷工況下仍然具有較好的力學性能，其最大薄膜應力、最大薄膜應力及彎曲應力合力仍在許用范圍內。

因此，定位安裝角度變化后，電氣貫穿件仍然安全可靠，能夠在核電廠正常運行期間和事故工況下保證反應堆內外電氣連接，確保反應堆安全殼結構完整性。