核電站關鍵設備存儲裝置的抗震性能研究

李 華，趙英昆，孟祥蓋，李 寧，繆 嶺

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

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減少核事故對公眾和環(huán)境的影響有至關重要的作用[1,2]。設備閘門安裝在反應堆安全殼上，是安全殼最大的開孔，要滿足安全殼要求的密封性和安全性，并在核電廠建造安裝和停堆換料期間，作為反應堆廠房內(nèi)大型設備的進出通道。

設備閘門作為安全殼壓力邊界的一部分，是核島重要的機械設備。在安全殼穹頂?shù)跹b之前，設備閘門封頭被運入核島，放于存儲裝置上，等待壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構件等設備進入核島。同時，該存儲裝置不僅可以用于核電廠中設備閘門的存儲，也可用于乏燃料設備的存儲。在此期間，必須保證存儲裝置的結構強度和穩(wěn)定性，并且能夠承受OBE 地震載荷。因此，對乏燃料干式存儲設備的結構穩(wěn)定性和抗震性能的研究有重要的意義。

1 存儲裝置模型建立

1.1 幾何模型

設備閘門存儲裝置主體結構由導軌梁、立柱、兩側(cè)斜撐、下部橫梁、壁面梁架和鋼帶等組成，所有型鋼材料采用Q345C。為準確模擬設備的抗震性能，本文將設備閘門封頭及其存儲裝置全部建模，模擬實際工況下結構的抗震性能。

設備閘門存儲裝置的立柱、長橫梁以及壁面梁架均為H 型鋼，上端支撐設備閘門的水平梁結構由鋼板焊接而成，所有連接采用螺栓結構。長橫梁上設有兩組連接板對封頭進行輔助約束，兩側(cè)立柱外側(cè)設有斜支撐梁以增加裝置整體穩(wěn)定性，兩側(cè)橫梁間設有鋼帶，可約束閘門封頭法向位移，增加抗震穩(wěn)定性。設備閘門及存儲裝置整體結構模型如圖1所示。

圖1 設備閘門存儲裝置整體結構模型Fig.1 The structure model of equipment hatch storage equipment

1.2 網(wǎng)格劃分

在設備閘門存儲裝置的有限元分析中，建立有限元模型是關鍵，而進行網(wǎng)格劃分時，必須選取合適的單元?？紤]到閘門封頭和存儲裝置鋼結構等部分均為典型的薄殼結構，采用殼單元模擬既可以簡化模型又能顯著減少計算量，提高模型的分析處理效率[3,4]。因此，本文中閘門封頭及所有支撐立柱和水平梁等主體梁架結構均采用SHELL181 單元建立，采用BEAM188 單元建立水平梁架和支撐立柱間連接的螺栓，采用LINK180單元建立兩側(cè)抗震拉桿。

1.3 載荷及位移邊界條件

設備閘門存儲裝置是安裝在安全殼內(nèi)壁上的鋼結構，與安全殼內(nèi)壁上的預埋件焊接固定，兩側(cè)設有抗震拉桿，抗震拉桿可提高裝置整體的穩(wěn)定性。計算中，存儲裝置梁架、抗震拉桿與預埋板焊接處約束了全部自由度，鋼帶和設備閘門封頭接觸處耦合了法向自由度。設備閘門封頭通過4 個滾輪小車作用于水平梁上，模型在水平梁與封頭小車作用范圍耦合了全部自由度。設備閘門存儲裝置有限元模型及邊界條件如圖2所示。

設備閘門是安全殼上最大的開孔，也是主要的承壓邊界。存放于存儲裝置上的設備閘門組件總重約42 t，存儲裝置總重約10 t。本文在存儲裝置整體結構的抗震分析中，將存儲裝置和所承載的設備閘門組件全部建模，計算時僅定義對應材料的密度即可考慮整體模型的自重載荷。同時，在抗震計算中考慮的OBE 地震載荷采用存儲裝置安裝標高處的樓層響應譜作為計算輸入。

圖2 設備閘門存儲裝置有限元模型及邊界條件示意圖Fig.2 The finite element model and boundary conditions of equipment hatch storage equipment

2 存儲裝置抗震計算

2.1 模態(tài)分析

進行響應譜分析之前，首先需要進行模態(tài)分析，本文采用Block Lanczos 方法，前25 階頻率計算結果見表1。

表1 模態(tài)分析結果Table 1 The result of modal analysis

設備閘門和存儲裝置的前四階振型如圖3～圖6 所示。由于計算時考慮了設備閘門與存儲裝置鋼結構的共同作用，模態(tài)分析結果顯示，前3 階振型主要為鋼帶和設備閘門振動。因此，在對存儲裝置抗震分析時，本文將存儲裝置與設備閘門的前4階振型結果分開顯示。單獨提取出的存儲裝置前4階振型如圖7～圖10所示。

由圖7可知，一階振型主要為輔助約束設備閘門的鋼帶振動。由圖8和圖9可知，二、三階振型中，存儲裝置主體結構開始振動，其中底部橫梁振動最為顯著。由圖10 可知，四階振型中，上部水平支撐梁開始振動。

圖3 設備閘門和存儲裝置一階振型Fig.3 The first vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖4 設備閘門和存儲裝置二階振型Fig.4 The second vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖5 設備閘門和存儲裝置三階振型Fig.5 The third vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖6 設備閘門和存儲裝置四階振型Fig.6 The fourth vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖7 存儲裝置一階振型Fig.7 The first vibration mode of storage equipment

圖8 存儲裝置二階振型Fig.8 The second vibration mode of storage equipment

圖9 存儲裝置三階振型Fig.9 The third vibration mode of storage equipment

圖10 存儲裝置四階振型Fig.10 The fourth vibration mode of storage equipment

2.2 響應譜分析

由表1 中的模態(tài)分析結果可知，第25 階頻率開始大于截斷頻率，各個方向參與振動的有效質(zhì)量之和均達到了總質(zhì)量的90%。所以，進行響應譜分析時，本文選擇前25 階頻率進行計算[5]。存儲裝置安裝標高處的各個方向的加速度響應頻譜值如表2所示。

進行響應譜分析時，各階振型響應的組合采用平方和的平方根方法，3個方向地震響應的組合也采用平方和的平方根（SRSS）方法。進行響應譜分析后，本文對計算結果進行剛體修正：將X、Y、Z 方向上的零周期加速度乘以各個方向的剩余質(zhì)量施加到模型上，將該計算結果與響應譜分析結果組合[5]。

3 存儲裝置計算結果分析

前面對設備閘門存儲裝置進行了抗震計算，這里將對存儲裝置整體鋼結構抗震性能和連接螺栓強度進行詳細分析，研究OBE 地震工況下，設備閘門存儲裝置結構的強度和穩(wěn)定性。

3.1 存儲裝置整體結構分析

設備閘門和存儲裝置在OBE 地震工況下的薄膜應力分布云圖、薄膜加彎曲應力分布云圖如圖11和圖12所示。由圖可知，應力較大處主要位于設備閘門存儲裝置的上部水平梁架支撐設備閘門處、下橫梁連接板處和壁面梁架與設備閘門連接處。

表2 加速度響應頻譜值Table 2 The FFT spectrum of acceleration response

單獨提取的存儲裝置模型的應力云圖如圖13 和圖14 所示。最大應力產(chǎn)生于水平梁架支撐設備閘門處，最大薄膜應力σm=171 MPa，最大薄膜加彎曲應力σm+σb=215 MPa（σb為彎曲應力）。本文根據(jù)RCC-M 規(guī)范中的B 級準則進行評定，σm＜1.0 S=295 MPa，σm+σb＜1.5 S=295 MPa。因此，在OBE 地震工況下，設備閘門存儲裝置的強度滿足RCC-M規(guī)范[6]的要求。

圖11 設備閘門和存儲裝置薄膜應力云圖Fig.11 The membrane stress of equipment hatch storage equipment

圖12 設備閘門和存儲裝置薄膜加彎曲應力云圖Fig.12 The membrane plus bending stress of equipment hatch storage equipment

圖13 存儲裝置薄膜應力云圖Fig.13 The membrane stress of storage equipment

圖14 存儲裝置薄膜加彎曲應力云圖Fig.14 The membrane plus bending stress of storage equipment

3.2 連接螺栓強度分析

由于設備閘門組件和存儲裝置鋼結構的總重量達到52 t，為了便于后期拆除，存儲裝置均采用螺栓連接的梁架結構。因此，本文必須對連接螺栓在OBE地震工況下的強度進行校核。

在存儲裝置鋼結構中，所有連接螺栓均采用8.8級M30的35CrMoA材料的高強度螺栓，該螺栓許用拉伸應力為400 MPa，許用剪切應力達到250 MPa。依據(jù)抗震計算結果，本文提取出所有連接螺栓最大受力情況，如表3所示。M30螺栓的應力截面積[7]為A=561 mm2，預緊力最大值[8]P=341 kN，屈服強度[9]Sy=835 MPa，計算得到的連接螺栓的最大拉伸應力和最大剪切應力列于表3中。在OBE地震工況下，存儲裝置連接螺栓按照RCC-M中的B級準則[6]校核，結果顯示，所有連接螺栓強度均滿足要求。

表3 螺栓最大應力情況及評定Table 3 The limit stress and assessment of bolts

4 結論

本文采用有限元法對設備閘門存儲裝置建立了完整的有限元模型，分析了存儲裝置在OBE 地震工況下的結構強度和穩(wěn)定性，得到結論如下：

（1）設備閘門存儲裝置在OBE地震工況下的應力最大處位于上部水平梁架支撐設備閘門處；

（2）在OBE 地震工況下，設備閘門存儲裝置梁架結構的強度低于其許用應力值，滿足RCC-M規(guī)范的要求；

（3）在OBE地震工況下，設備閘門存儲裝置鋼結構的連接螺栓強度滿足RCC-M規(guī)范的要求。