張 建,劉 焱,王 奎,吳 迪
(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.中船動(dòng)力研究院有限公司,上海 200129)
能源是人類生存的重要支柱,是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要保證。自1991年我國自行建設(shè)的首座民用核電站秦山核電站開始并網(wǎng)發(fā)電以來,大型民用核電站不斷在國內(nèi)開始新建并投入使用,核電安全問題一直是研發(fā)人員的關(guān)注重點(diǎn)[1]。而日本2011年發(fā)生的核泄露事件更是說明對(duì)于核電設(shè)備的抗震性能的研究已經(jīng)刻不容緩。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組屬于核電站安全三級(jí)抗震Ⅰ類設(shè)備[2],其功能是在反應(yīng)堆發(fā)生供電意外時(shí)作為備用電源保持電站持續(xù)工作能力,并且在遭遇地震事故時(shí)能迅速的啟動(dòng),短時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速使反應(yīng)堆設(shè)備以及其他防止事故擴(kuò)散的設(shè)備保持在安全狀態(tài)中,是核電站安全保障的最后一道防線[2-3]。因此,鑒定機(jī)組在地震載荷的作用下能否保持結(jié)構(gòu)的完整性以及可運(yùn)行性是核電安全中不可忽視的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
目前,對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組的抗震鑒定主要分為試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩類。1991年上海核工程研究設(shè)計(jì)院對(duì)秦山核電站6V240ZDA型柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了抗震試驗(yàn)研究這也是國內(nèi)對(duì)于核電站用柴油發(fā)電機(jī)組最早的研究,但整個(gè)研究過程相當(dāng)?shù)姆爆?。直?005年清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院對(duì)中國先進(jìn)研究堆(CARR)備用柴油發(fā)電機(jī)組選用10MW高溫氣冷堆和CARR的地表SSE級(jí)地震反應(yīng)譜為輸入,結(jié)合抗震試驗(yàn)對(duì)機(jī)組進(jìn)行抗震動(dòng)力學(xué)分析,這是國內(nèi)首次完全運(yùn)用分析的方法對(duì)大型復(fù)雜的核電設(shè)備進(jìn)行抗震鑒定,很多分析方法都是第一次使用并得到了核安全部門的認(rèn)可,從此對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的抗震性能研究正式從試驗(yàn)檢測階段走向數(shù)值仿真階段[4]。
考慮到機(jī)組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,許多研發(fā)人員對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的簡化,通常的做法是只保留機(jī)組外形結(jié)構(gòu)采用殼單元和梁單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述,這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有頻率及振型出現(xiàn)偏差,機(jī)組被判斷為剛性,采用等效靜力法進(jìn)行計(jì)算,這就導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果過于保守,影響最終評(píng)估的準(zhǔn)確性,且對(duì)于螺栓校核僅僅只是判斷其是否滿足ASME規(guī)范而沒有考慮設(shè)計(jì)的預(yù)緊力是否滿足要求。
柴油發(fā)電機(jī)組是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。其主要設(shè)備可分為三大類:柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和公共底座,而每類設(shè)備中又包含各種部件,復(fù)雜性尤以柴油機(jī)為甚包括:曲柄連桿機(jī)構(gòu),氣缸組件,機(jī)體,油底殼、連桿-活塞組件、凸輪軸、排進(jìn)氣管及各種輔助管道。柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。發(fā)電機(jī)整個(gè)機(jī)組長6.4m,寬2.26m,高3.2m,總重約為28.8t,各部件質(zhì)量分布,如表1所示。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure Model of Diesel Generating Set
表1 機(jī)組質(zhì)量分布Tab.1 Mass Distribution of the Set
根據(jù)ASME附錄,機(jī)組所用材料的許用應(yīng)力為下列數(shù)值中的最小值[5]:室溫下規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度的1/4;室溫下規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的2/3,機(jī)組相關(guān)材料特性,如表2所示。
表2 材料力學(xué)性能Tab.2 Mechanical Properties of Materials
根據(jù)抗震計(jì)算規(guī)范對(duì)機(jī)組原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化,將小于機(jī)組總質(zhì)量1%的部件通過集中質(zhì)量點(diǎn)描述,將柴油機(jī)機(jī)架、主軸承座、缸蓋、缸套、機(jī)架正時(shí)齒輪端裝置、增壓器、增壓器托架、空氣冷卻器及其框架、曲軸、發(fā)電機(jī)采用三維實(shí)體單元建模;柴油機(jī)進(jìn)排氣總管、油底殼、公共底座采用殼單元建模,隔振器和聯(lián)軸器通過彈簧單元模擬彈簧單元參數(shù),如表3、表4所示。連接螺栓采用梁單元模擬,每個(gè)零部件單獨(dú)建模后進(jìn)行裝配,各部件通過施加綁定約束來模擬真實(shí)的裝配情況。
表3 隔振器彈簧單元參數(shù)Tab.3 Spring Element Parametersof Vibration Isolator
表4 聯(lián)軸器彈簧單元參數(shù)Tab.4 Spring Element Parameters of Coupling
整個(gè)機(jī)組模型共分為63個(gè)質(zhì)量單元,30個(gè)彈簧單元,1,937,146 個(gè)體單元,159,164 個(gè)殼單元,572,183 個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖 2所示。
圖2 機(jī)組有限元模型Fig.2 Finite Element Model of the Set
3.3.1 地震載荷
地震載荷是根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組所在核島廠房位置的樓層反應(yīng)譜為計(jì)算輸入以確定機(jī)組水平方向和垂直方向的地震作用效應(yīng),機(jī)組所在廠房標(biāo)高為-1.45m,根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范選取阻尼比為2%的OBE和阻尼比為4%的SSE級(jí)地震反應(yīng)譜為地震載荷。地震三個(gè)方向上的樓層加速度反應(yīng)譜,如圖3所示。
圖3 地震載荷Fig.3 Seismic Load
3.3.2 自重載荷
自重載荷是指機(jī)組本身重量引起的重力載荷作用在每一個(gè)單元上屬于靜態(tài)荷載。在對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí),輸入材料屬性和重力加速度,自重荷載由軟件自行進(jìn)行計(jì)算。
3.3.3 設(shè)計(jì)運(yùn)行載荷
柴油機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)受到不平衡力矩作用,根據(jù)柴油機(jī)基本參數(shù)查閱文獻(xiàn)[6]可知,柴油機(jī)不平衡和力矩為My=20165N·m,Mz=116420N·m,按照規(guī)范將此力矩乘以動(dòng)力放大系數(shù)2后施加在柴油機(jī)的重心位置。
兩種地震載荷與自重載荷和設(shè)計(jì)運(yùn)行載荷組成兩種工況,異常工況:自重+運(yùn)行載荷+OBE;事故工況:自重+運(yùn)行載荷+SSE。根據(jù)ASME規(guī)范兩種工況分別為B級(jí)使用限制和D級(jí)使用限制其應(yīng)力限制,如表5所示。表中S為材料許用應(yīng)力Su為材料抗拉強(qiáng)度。
表5 工況與使用限制Tab.5 Working Conditions and Restrictions
機(jī)組抗震分析采用反應(yīng)譜分析法,其步驟為:
第一步:模態(tài)分析,求得機(jī)組自振周期和振型特性并根據(jù)機(jī)組自振周期特性選擇振型組合方法。
第二步:輸入OBE和SSE地震樓層反應(yīng)譜,求出三個(gè)方向上的地震響應(yīng)。
第三步:將三個(gè)正交方向上的地震響應(yīng)進(jìn)行SSRS組合得到總地震響應(yīng)。
第四步:將OBE和SSE總地震響應(yīng)與機(jī)組自重、運(yùn)行載荷下的響應(yīng)情況進(jìn)行絕對(duì)值疊加得到異常工況和事故工況下機(jī)組總體響應(yīng)。
采用Lanczos法對(duì)機(jī)組進(jìn)行模態(tài)分析,得到取機(jī)組前80階振型的自振周期和振型形態(tài),取機(jī)組前10階振型周期及振型簡述列,如表6所示。
表6 結(jié)構(gòu)周期與振型簡述Tab.6 Structure Frequency and Brief Introduction of Vibration Mode
從以上固有頻率與模態(tài)振型來看,機(jī)組前6階振型是由于隔振器支撐剛度較小引起的柴油發(fā)電機(jī)組六個(gè)自由度的整體振動(dòng),頻率較低。由于彈性聯(lián)軸器剛度相對(duì)機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)剛度較低,引起第7階發(fā)電機(jī)組垂向彎曲模態(tài)以及第8階發(fā)電機(jī)組扭轉(zhuǎn)模態(tài),機(jī)組前8階頻率都小于抗震規(guī)范所規(guī)定的截止頻率33Hz,因此機(jī)組為撓性。機(jī)組整體結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)間隔很近,特別是第一階模態(tài)與第二階模態(tài),振型頻率增量小于10%。按照振型組合理論,機(jī)組振型屬于密集振型類,應(yīng)采用完全二次方根(CQC)的振型組合模式。
將三個(gè)方向上的地震響應(yīng)平方和開平方根(SSRS)后與機(jī)組自重、運(yùn)行載荷進(jìn)行絕對(duì)值疊加后,機(jī)組在各工況下主要部件位移云圖,如圖4所示。機(jī)組最大變形部位變?yōu)樵鰤浩黜敹耍瑑煞N工況下機(jī)組整體位移云圖分布大體一致。由位移云圖可知變形從公共底座底端逐漸向兩端及頂端沿伸擴(kuò)大,這是由于受地面加速度的影響且水平X方向上的加速度起主導(dǎo)作用。
圖4 機(jī)組位移云圖Fig.4 Displacement Cloud of the Set
柴油發(fā)電機(jī)組整體主要采用實(shí)體單元、殼單元和梁單元,根據(jù)ASME規(guī)范,各個(gè)部件在使用等級(jí)下的變形限制為[5]:
使用等級(jí) B:dall≤0.6dmax
使用等級(jí) D:dall≤0.9dmax
其中,dall為載荷組合作用下設(shè)備的變形值;dmax設(shè)備不被損壞時(shí)所能承受的最大變形和公差。機(jī)組設(shè)備規(guī)格書中規(guī)定最大間隙值為10mm,根據(jù)上述評(píng)判準(zhǔn)則結(jié)機(jī)組的最大變形值,在各種等級(jí)限制下各個(gè)部件位移值都遠(yuǎn)小于限值,滿足ASME規(guī)范。
兩個(gè)工況下機(jī)組整體最大Von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)在公共底座發(fā)電機(jī)端內(nèi)側(cè)軸向側(cè)板端部其余部分應(yīng)力較小應(yīng)力云圖,如圖5所示。從圖中可知其應(yīng)力主要分布在中間聯(lián)軸器兩端的支撐板上,因?yàn)樵撝伟逑露说睦甙彘g距離較大且下方連接隔振器的彈簧連接剛度較小的原因。
圖5 機(jī)組位移云圖Fig.5 Stress Cloud of the Set
公共底座在兩種工況下最大Von Mises應(yīng)力分別達(dá)到125.92MPa和151.94MPa均超過B級(jí)和D級(jí)使用限制下的應(yīng)力限值101.75和138.75。這是由于模型簡化后該處為直角連接因此出現(xiàn)應(yīng)力集中,實(shí)際應(yīng)力比該值要小,除去應(yīng)力集中的情況后可以看出公共底座大部分區(qū)域并沒有超過應(yīng)力限值,如圖6所示。
圖6 公共底座位移云圖Fig.6 Stress Cloud of the Common Base Frame
評(píng)價(jià)原則為螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力大于所需最小預(yù)計(jì)力,螺栓作為支撐部件要滿足ASME對(duì)螺栓緊固件的應(yīng)力限制。綜上螺栓可靠性評(píng)價(jià)滿足以下兩個(gè)公式:
式中:FN—螺栓所承受的拉力;F—螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力;μ—摩擦系數(shù)取0.15;Fτ—螺栓所受剪切方向上的力;Fn—所需最小預(yù)緊力。
式中:Ftb=0.5Su—許用拉應(yīng)力;Fvb=5Su/24—許用剪切應(yīng)力;σ—計(jì)算拉應(yīng)力;τ—計(jì)算剪切力。
隔振器連接螺栓和彈性聯(lián)軸器連接螺栓均在機(jī)組整體建模中用梁單元進(jìn)行了模擬,直接讀取支反力為垂直和切向方向上螺栓所承受的拉力和剪力。柴油機(jī)與公共底座連接螺栓、增壓器與增壓器托架連接螺栓和增壓器托架與機(jī)體連接螺栓在建模中忽略,需單獨(dú)建模采用等效靜力法進(jìn)行校核,建模方法為:根據(jù)螺栓幾何位置建立實(shí)體單元并將所有螺栓耦合至其所在部件的重心位置。
傳統(tǒng)等效靜力法地震輸入為選取樓層反應(yīng)譜峰值加速度乘以靜態(tài)系數(shù)1.5,以示考慮不確定因素。對(duì)螺栓進(jìn)行校核時(shí)為保證結(jié)果準(zhǔn)確性修正等效地震等效加速度取機(jī)組SSE級(jí)地震加速度反應(yīng)譜分析中螺栓所在部件最大加速度疊加零周期加速度為地震輸入,各部分螺栓計(jì)算結(jié)果,如表7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知連接螺栓滿足式(1)和式(2),連接可靠性良好。
表7 螺栓計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation Results of the Bolt
通過有限元分析軟件ABAQS建立了柴油發(fā)電機(jī)組的抗震分析模型,求得了機(jī)組的固有頻率和振型,使用反應(yīng)譜分析法對(duì)機(jī)組在異常和事故兩種工況下進(jìn)行了抗震可靠性評(píng)估,并針對(duì)SSE級(jí)地震動(dòng)對(duì)機(jī)組連接螺栓進(jìn)行了強(qiáng)度校核以及判斷其設(shè)計(jì)預(yù)緊力是否合理,得到了以下結(jié)論:
(1)在模態(tài)分析中機(jī)組的前6階固有頻率低于地震的截止頻率33Hz,由于機(jī)組隔振器支撐剛度較小而引起了前6階機(jī)組固有頻率較低,因此機(jī)組為撓性。
(2)通過對(duì)機(jī)組進(jìn)行反應(yīng)譜分析。增壓器在整個(gè)機(jī)組部件中位移最大,最大位移值2.13mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)組設(shè)備規(guī)格書中的間隙值的0.9倍。公共底座在所有部件中應(yīng)力值最大,其最大值超過ASME規(guī)范的允許值,去除應(yīng)力集中效應(yīng)后,大部分區(qū)域都在允許值的范圍內(nèi),同樣可認(rèn)為公共底座是滿足規(guī)范要求的。
(3)各種連接螺栓的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力滿足ASME規(guī)范,且設(shè)計(jì)螺栓預(yù)緊力能夠保證連接的可靠性。
[1]付強(qiáng),袁壽其,朱榮生.核電站燃料廠房輔助吊車抗震計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2010(6):125-127.(Fu Qiang,Yuan Shou-qi,Zhu Rong-sheng.Seismic calculation of auxiliary crane in fuel factory of nuclear power plant[J].Machine Design and Research,2010(6):125-127)
[2]核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50267-97[S].(Seismic design code of nuclear power plants[S].)
[3]梁圣童,牟恕寬.核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的評(píng)述[J].船舶工程,2007,29(s2):9-14.(Liang Sheng-tong,Mou Shu-kuan.Comment on emergency diesel engine generator of nuclear power plant[J].Ship Engineering,2007,29(s2):9-14.)
[4]萬力,傅激揚(yáng).中國先進(jìn)研究堆備用柴油發(fā)電機(jī)組的抗震動(dòng)力學(xué)分析[J].高級(jí)技術(shù)通訊,2005,15(2):60-64.(Wan Li,F(xiàn)u Ji-yang.Seismic analysis of the Diesel engine generator for CARR project[J].High Technology Letters,2005,15(2):60-64.)
[5]ASME 4-86.Seismic analysis of safety-related nuclear structured and commentary on standard for seismic analysis of safety related nuclear structures[S].
[6]陳瑞興.船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1980.(ChenRui-xing.MarineDieselEngineDesign[M].BeijingNationalDefend Industry Press,1980.)
[7]譚忠文,王海濤,何樹延.核電廠大型組合結(jié)構(gòu)的有限元抗震分析方法研究[J].核科學(xué)與工程,2008,28(2):188-192.(Tan Zhong-wen,Wang Hai-tao,He Shu-yan.Research on seismic analysis method of large joint structures in nuclear power plant using finite element method[J].Nuclear Science and Engineering,2008,28(2):188-192.)
[8]白晉華,趙樹峰,諶登華.運(yùn)行核電廠抗震裕度評(píng)價(jià)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012,46(12):1446-1450.(Bai Jin-hua,Zhao Shu-feng,Chen Deng-hua.Research on seismic margin analysis of operation nuclear power plant[J].Atomic Energy Science and Technology,2012,46(12):1446-1450.)
[9]蘭麟,胡雯婷.等效靜力法和譜分析法在設(shè)備抗震分析中的應(yīng)用[J].核動(dòng)力工程,2014,35(s1):144-148.(Lan Qi,Hu Wen-ting.Application of equivalent static method and spectrum analysis method in equipment seismic analysis[J].Nuclear Power Engineering,2014,35(s1):144-148.)
[10]張征明,何樹延,李仲三.核反應(yīng)堆貯液容器的抗震分析[J].核動(dòng)力工程,2001,22(4):313-317(Zhang Zheng-ming,He Shu-yan,Li Zhong-san.Seismic analysis of liquid storage container in nuclear [J].Nuclear Power Engineering,2001,22(4):313-317.)