核電站關(guān)鍵設(shè)備事故工況下抗震性能研究

李 華，孟祥蓋，霍嘉杰，邵 睿，繆 嶺

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

在核電站中，安全殼作為防止放射性物質(zhì)泄漏的最后一道屏障，它的密封性和安全性對(duì)減少核事故對(duì)環(huán)境的影響起著至關(guān)重要的作用[1，2]。人員閘門(mén)是安全殼上的貫穿件，為人員和小型設(shè)備進(jìn)出安全殼提供通道。

人員閘門(mén)作為安全殼壓力邊界的一部分，承擔(dān)著外界大氣環(huán)境與安全殼的隔離作用，需要具備密封性和安全性，保證人員閘門(mén)的結(jié)構(gòu)完整性和功能性。人員閘門(mén)除了供人員和小型設(shè)備在反應(yīng)堆運(yùn)行及熱停堆時(shí)通過(guò)，還必須滿(mǎn)足事故工況下人員緊急撤離的要求[3，4]。因此，對(duì)人員閘門(mén)在設(shè)計(jì)中對(duì)于事故工況下結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究有著重要意義。

1 模型的建立

1.1 人員閘門(mén)的幾何模型

人員閘門(mén)為鋼制筒型結(jié)構(gòu)，由一個(gè)圓柱形鋼殼、兩端門(mén)框和門(mén)板組成。筒節(jié)分為3段，包括內(nèi)筒節(jié)、貫穿筒節(jié)和外筒節(jié)，貫穿筒節(jié)的貫穿錨固定在反應(yīng)堆安全殼上，并與安全殼襯里焊接相連。

除了構(gòu)成安全殼承壓邊界的筒節(jié)等部件外，人員閘門(mén)還包括升降底板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)等部件。在抗震計(jì)算中，為了簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，除了人員閘門(mén)主要承壓部件，其余部件未考慮，相當(dāng)于忽略了機(jī)構(gòu)增加的剛度，但是將其質(zhì)量均攤到設(shè)備上，加大了質(zhì)量載荷，降低了設(shè)備基頻，是保守的考慮。而其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算中工況載荷沒(méi)有附加影響。因此，模型簡(jiǎn)化合理。人員閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

圖1 人員閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The model of the personnel air lock

在有限元分析中，建立有限元模型是關(guān)鍵，而其中進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，必須選取合適的單元[5]。根據(jù)人員閘門(mén)的幾何結(jié)構(gòu)，雖已簡(jiǎn)化內(nèi)部傳動(dòng)構(gòu)件，但由于人員閘門(mén)貫穿安全殼內(nèi)外整體結(jié)構(gòu)過(guò)大，若全部采用實(shí)體單元建模，將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量過(guò)多，加大建模難度和計(jì)算機(jī)復(fù)雜性?？紤]到人員閘門(mén)筒節(jié)和門(mén)板等均為典型的薄殼結(jié)構(gòu)，采用殼單元模擬既可以簡(jiǎn)化模型又能顯著減少計(jì)算量[6，7]。因此，本文在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)采用SHELL181單元建立人員閘門(mén)的整體殼單元模型。只在對(duì)內(nèi)、外筒節(jié)進(jìn)行局部抗震分析時(shí)，采用SOLID185 單元分別建立內(nèi)、外筒節(jié)局部實(shí)體模型。

1.3 載荷及位移邊界條件

人員閘門(mén)貫穿筒節(jié)部分內(nèi)嵌于安全殼混凝土中，該部分在整體結(jié)構(gòu)分析時(shí)剛性固定約束；內(nèi)外筒節(jié)局部分析時(shí)，與安全殼連接處筒體邊界剛性約束[8]。人員閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2 人員閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 The finite element model of the personnel air lock

模型中考慮人員閘門(mén)自重載荷時(shí)，將其內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件的重量均布于筒節(jié)行走平臺(tái)下的部分,將門(mén)板上各機(jī)構(gòu)附件的質(zhì)量均攤在門(mén)板上，人員和小型設(shè)備等通過(guò)時(shí)的載荷作為集中力施加在通道底板支撐結(jié)構(gòu)上。

人員閘門(mén)作為安全殼壓力邊界的一部分，需要承受安全殼內(nèi)部正常運(yùn)行時(shí)的壓力，甚至事故工況下的壓力。本文抗震計(jì)算中考慮事故工況下安全殼內(nèi)壓力載荷和SSE 地震載荷。同時(shí)，由于人員閘門(mén)存在內(nèi)門(mén)或外門(mén)打開(kāi)的情況，因此，需要分別對(duì)各種情況下內(nèi)、外筒節(jié)進(jìn)行局部抗震分析。人員閘門(mén)內(nèi)、外筒節(jié)局部模型如圖3和圖4所示。

圖3 人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)局部模型Fig.3 The finite element model of the internal sleeve

圖4 人員閘門(mén)外筒節(jié)局部模型Fig.4 The finite element model of the external sleeve

由于人員閘門(mén)聯(lián)鎖設(shè)定要求，除了在冷停堆時(shí)內(nèi)、外門(mén)不可同時(shí)打開(kāi)，所以，在局部抗震分析中需要考慮人員閘門(mén)內(nèi)門(mén)打開(kāi)外門(mén)關(guān)閉、內(nèi)門(mén)關(guān)閉外門(mén)打開(kāi)和內(nèi)門(mén)外門(mén)同時(shí)關(guān)閉3種情況。事故工況下，當(dāng)人員閘門(mén)內(nèi)門(mén)打開(kāi)外門(mén)關(guān)閉時(shí)，對(duì)外筒節(jié)局部模型施加內(nèi)壓0.42 MPa；當(dāng)內(nèi)門(mén)關(guān)閉外門(mén)打開(kāi)和內(nèi)門(mén)外門(mén)同時(shí)關(guān)閉時(shí)，內(nèi)筒節(jié)局部模型施加外壓0.42 MPa。

局部抗震分析中SSE地震載荷采用人員閘門(mén)安裝標(biāo)高處的樓層反應(yīng)譜作為計(jì)算輸入，各個(gè)方向的加速度及響應(yīng)頻譜值如表1和表2所示。

表1 水平方向樓層反應(yīng)譜數(shù)值Table 1 Horizontal floor response spectrum

表2 豎直方向樓層反應(yīng)譜數(shù)值Table 1 Vertical floor response spectrum

2 模態(tài)分析

通過(guò)對(duì)人員閘門(mén)整體殼單元模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到其第一階頻率為49.0 Hz，第二階頻率為49.1 Hz，前兩階陣型如圖5 和圖6 所示。由圖可知，前兩階陣型中主要為人員閘門(mén)外筒節(jié)部分振動(dòng)，且由于其內(nèi)部所有傳動(dòng)部件的重量均布于行走平臺(tái)下的筒節(jié)部分，可以看出筒節(jié)下部振動(dòng)更為明顯。

3 人員閘門(mén)局部抗震分析

由模態(tài)分析結(jié)果可知，人員閘門(mén)第一階頻率大于截?cái)囝l率。因此，可以采用零周期加速度進(jìn)行抗震計(jì)算[9]。本節(jié)分別對(duì)人員閘門(mén)內(nèi)、外筒節(jié)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，研究事故工況下各種情況時(shí)人員閘門(mén)的抗震性能。

圖5 人員閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)一階陣型Fig.5 The first modal of the personnel air lock

圖6 人員閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)二階陣型Fig.6 The second modal of the personnel air lock

3.1 載荷及位移邊界條件

事故工況下，人員閘門(mén)內(nèi)門(mén)打開(kāi)外門(mén)關(guān)閉時(shí)，內(nèi)筒節(jié)內(nèi)外壓力相同，只受自重和SSE地震載荷作用；內(nèi)門(mén)關(guān)閉外門(mén)打開(kāi)和內(nèi)門(mén)外門(mén)同時(shí)關(guān)閉時(shí)內(nèi)筒節(jié)同時(shí)承受自重載荷、SSE地震載荷和外壓載荷作用。由于后者載荷工況包絡(luò)前者，因此，在內(nèi)筒節(jié)局部抗震分析時(shí)僅考慮后者所有載荷疊加的情況。

人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)整體結(jié)構(gòu)事故工況下第一主應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖可知，應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門(mén)框連接處以及筒節(jié)和門(mén)架連接處。將內(nèi)筒節(jié)的筒節(jié)和門(mén)框門(mén)板單獨(dú)提取出來(lái)可以得到事故工況下內(nèi)筒節(jié)的筒節(jié)應(yīng)力云圖如圖8所示，內(nèi)筒節(jié)門(mén)框門(mén)板應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖7 人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)第一主應(yīng)力云圖Fig.7 The major principal stress of the internal sleeve

圖8 人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)筒節(jié)應(yīng)力云圖Fig.8 The stress nephogram of the internal sleeve

圖9 人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)門(mén)板門(mén)框應(yīng)力云圖Fig.9 The stress nephogram of the door plank and door frame of the internal sleeve

ANSYS 軟件中所給出的應(yīng)力值是包含了一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力等[10，11]應(yīng)力的總應(yīng)力值，在對(duì)其進(jìn)行校核前需要進(jìn)行線(xiàn)性化處理，分別得到其一次薄膜、彎曲和二次應(yīng)力等。在人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)局部抗震分析中，其最大應(yīng)力產(chǎn)生于門(mén)架與筒節(jié)連接處，線(xiàn)性化之后可以得到最大薄膜加彎曲應(yīng)力為99.3 MPa。此處保守地采用一次薄膜應(yīng)力許用值校核薄膜加彎曲應(yīng)力。由RCC-M ANNEX Z I 1.4 可知[12]，人員閘門(mén)承壓邊界的材料P265GH在事故工況溫度下的許用應(yīng)力為103 MPa，即在事故工況下人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)最大薄膜加彎曲應(yīng)力小于其一次薄膜應(yīng)力的許用值。因此，該工況下人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)的強(qiáng)度滿(mǎn)足RCC-M規(guī)范的要求。

3.2 外筒節(jié)局部抗震分析

事故工況下，人員閘門(mén)內(nèi)門(mén)打開(kāi)外門(mén)關(guān)閉時(shí)，外筒節(jié)同時(shí)承受自重載荷、SSE地震載荷和內(nèi)壓載荷作用；內(nèi)門(mén)關(guān)閉外門(mén)打開(kāi)和內(nèi)門(mén)外門(mén)同時(shí)關(guān)閉時(shí)，外筒節(jié)只承受自重載荷、SSE地震載荷作用。由于前者載荷工況包絡(luò)后者，因此，在外筒節(jié)局部抗震分析時(shí)，僅考慮前者所有載荷疊加的情況。同時(shí)，還需要考慮人員和小型設(shè)備通過(guò)時(shí)的集中載荷，本文計(jì)算過(guò)程中，考慮最危急的極端情況，將該載荷全部施加到外筒節(jié)上最外側(cè)一組通道支撐上。

人員閘門(mén)外筒節(jié)整體結(jié)構(gòu)事故工況下第一主應(yīng)力云圖如圖10 所示。由圖可知，應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門(mén)框連接處、筒節(jié)和門(mén)架連接處以及通道支撐與筒節(jié)連接處。將外筒節(jié)的筒節(jié)、門(mén)框門(mén)板和通道支撐處筒體單獨(dú)提取出來(lái)可以得到事故工況下外筒節(jié)筒節(jié)應(yīng)力云圖，如圖11所示，外筒節(jié)門(mén)框門(mén)板應(yīng)力云圖如圖12所示，通道支撐處筒體局部應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖10 人員閘門(mén)外筒節(jié)第一主應(yīng)力云圖Fig.10 The major principal stress of the external sleeve

圖11 人員閘門(mén)外筒節(jié)筒節(jié)應(yīng)力云圖Fig.11 The stress nephogram of the external sleeve

對(duì)人員閘門(mén)外筒節(jié)局部抗震計(jì)算結(jié)果分析可知，其最大應(yīng)力產(chǎn)生于門(mén)架與筒節(jié)連接處，線(xiàn)性化之后可以得到最大薄膜加彎曲應(yīng)力為96.17 MPa，小于其一次薄膜應(yīng)力的許用值103 MPa。因此，該工況下人員閘門(mén)外筒節(jié)的強(qiáng)度滿(mǎn)足RCC-M規(guī)范的要求。

圖12 人員閘門(mén)外筒節(jié)門(mén)板門(mén)框應(yīng)力云圖Fig.12 The stress nephogram of the door plank and door frame of the external sleeve

圖13 人員閘門(mén)通道支撐局部應(yīng)力云圖Fig.13 The stress nephogram of the passage of the Personnel Airlock

4 結(jié)論

本文采用有限元法對(duì)核電站人員閘門(mén)建立了完整的有限元模型，并分別對(duì)內(nèi)筒節(jié)和外筒節(jié)建立了局部實(shí)體模型，分析了人員閘門(mén)在事故工況下的抗震性能。得到結(jié)論如下：

（1）人員閘門(mén)整體承壓部件第一階頻率為49 Hz，大于截?cái)囝l率，可以采用等效靜力法進(jìn)行抗震計(jì)算

（2）事故工況下，人員閘門(mén)內(nèi)筒節(jié)應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門(mén)框連接處以及筒節(jié)和門(mén)架連接處，最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力值，即內(nèi)筒節(jié)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；

（3）事故工況下，人員閘門(mén)外筒節(jié)局部應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門(mén)框連接處、筒節(jié)和門(mén)架連接處以及通道支撐與筒節(jié)連接處，最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力值，即外筒節(jié)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。