核級過濾器的抗震計算方法研究

陳一偉，張正春，張強升，石 紅，沈 偉，王 巖,*

（1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.上海艾維科閥門股份有限公司，上海 201799）

安全停堆地震（SSE）是核電廠設(shè)計中采用的最高地震運動水平，是核級設(shè)備設(shè)計過程的極限安全要求之一。核級設(shè)備承受類似于極限停堆地震的地震反應時，應保證結(jié)構(gòu)的完整性、反應堆的安全停止運行以及能夠保持安全狀態(tài)［1］。核級過濾器是安裝在ASG、SEG等系統(tǒng)的管道上，為反應堆系統(tǒng)提供合格水的設(shè)備。根據(jù)ASME和RCCM的相關(guān)要求，關(guān)鍵部位的過濾器設(shè)備必須按照核電相關(guān)標準和法規(guī)通過鑒定后才可投入核電站運行。本文采用大型通用有限元軟件ANSYS Workbench14.5［2］，對某核電廠過濾器進行模態(tài)分析，然后提出了過濾器組合載荷的施加方式，并對組合載荷共同作用下的應力和變形進行計算，最后根據(jù)RCC-M的有關(guān)規(guī)定進行分析評定。本文的分析可以為核級過濾器設(shè)備抗震安全風險評估提供理論依據(jù)，并為后續(xù)核電設(shè)備的抗震分析工作提供技術(shù)支撐。

1 計算模型

本文以某核電站過濾器設(shè)備為研究對象，過濾器的核安全等級為非核安全級，抗震要求為Ⅰ類。過濾器的公稱通徑為DN150mm，設(shè)計壓力最大為12 bar（1.2 MPa），設(shè)計溫度為5～60℃。過濾器主要由閥體、過濾網(wǎng)、密封墊、閥蓋、悶頭等零部件組成，三維模型如圖1所示。

圖1 三維模型圖Fig.1 3D model diagram

閥體、閥蓋的材料均為CF3，濾網(wǎng)材料為304L，密封頭為06Cr19Ni10，設(shè)備工作溫度不超過60℃。主體材料的參數(shù)見表1。

表1 主體零部件所用材料及材料特性表Table 1 Material and material characteristics of main parts

2 載荷條件

和在條件為：

（1）自重：豎直方向的重力加速度，按9.81 m/s2進行計算［3］；

（2）壓力（P）：過濾器的設(shè)計壓力為12 bar（1.2 MPa）；

（3）地震載荷：本計算所用的地震載荷為6g；

（4）載荷組合：根據(jù)RCC-M，載荷組合見表2。

表2 載荷組合Table 2 Load combination

3 模態(tài)分析結(jié)果

過濾器的計算載荷包括自重、內(nèi)壓、接管載荷、地震加速度。本分析采用四面體及六面體單元對整體結(jié)構(gòu)進行離散，共生成474 156個節(jié)點，231 449個單元，過濾器模態(tài)分析有限元模型如圖2所示。有限元模型中，閥體、閥蓋、過濾網(wǎng)、悶頭等均采用實體單元建模，過濾器中的水用同等的質(zhì)量附加在閥體［4］、閥蓋及過濾網(wǎng)上，附加水質(zhì)量之后模型密度為10 530 kg/m3。由于過濾網(wǎng)并不是承壓邊界結(jié)構(gòu)，所以，本次分析模型去掉過了濾網(wǎng)上的開孔結(jié)構(gòu)［5］。

各部件的接觸面約束中，因為過濾器并沒有可動部件，所以閥蓋與閥體、閥體與悶頭、過濾網(wǎng)與閥體等部件之間均采用綁定約束。

圖2 有限元模型圖Fig.2 Finite element model

因為該過濾器為非對稱結(jié)構(gòu)，所以，模態(tài)分析中采用固定出口的方式，在固定面處設(shè)置固定約束，限制其所有的自由度，入口端設(shè)為自由端［6］。

通過對過濾器進行模態(tài)分析可知：固定出口時固有頻率為42.93 Hz。本文僅給出過濾器前6階固有頻率，見表3。從表3可以看出，過濾器的固有頻率大于33 Hz。過濾器前6階振型圖如圖3所示。

表3 過濾器前6階固有頻率表Table 3 First 6 natural frequency table

圖3 過濾器前6階振型圖Fig.3 First 6 vibration modes

4 應力分析

本文采用等效靜力法對過濾器進行抗震分析。3個正交軸方向同時施加6gSSE地震載荷；接管載荷按最不利方向施加；在出口端設(shè)置固定約束，釋放進口端的全部自由度并在該進口端施加接管載荷；設(shè)計壓力保守地按照RCC-M壓力試驗的壓力施加，即施加1.5倍設(shè)計壓力在過濾器的流體腔。載荷及邊界條件施加如圖4所示。

圖4 過濾器邊界條件施加圖Fig.4 Application of filter boundary conditions

在事故工況下，過濾器受到內(nèi)壓、重力、接管載荷及SSE地震載荷的作用。本文對過濾器受到的載荷組合進行結(jié)構(gòu)分析，并采用上述準則驗收。圖5、圖6為事故工況下過濾器及零部件結(jié)構(gòu)分析的最大應力分布云圖。

圖5 閥體及閥蓋最大應力云圖Fig.5 Cloud chart of maximum stress of valve body and bonnet

圖6 其余部件最大應力云圖Fig.6 Cloud chart of maximum stress of other parts

根據(jù)過濾器的結(jié)構(gòu)和工作特性，對閥體和濾芯等部件危險區(qū)域設(shè)定的重點關(guān)注路徑進行校核，表4為過濾器上各路徑的應力評定結(jié)果，各應力值是所有載荷組合情況下的計算結(jié)果。從表4可以看出，各路徑上的應力都能滿足許用值要求。

表4 過濾器各路徑應力評定結(jié)果表Table 4 Stress assessment results of each path of filter單位：MPa

5 結(jié)論

本文利用ANSYSWorkbench14.5程序，采用靜力分析法對某型核級過濾器進行了抗震分析，并根據(jù)RCC-M對計算結(jié)果進行評定。分析結(jié)果表明：在SSE地震、重力及內(nèi)壓組合載荷下，過濾器設(shè)備固有頻率不低于33 Hz，應力滿足規(guī)范要求。本文采用靜力分析法對SSE工況過濾器器進行了應力分析，全面綜合地評定了核級過濾器的抗震性能，建立起一套核電廠過濾器抗震分析與評估方法，為核電廠的抗震鑒定實踐活動提供參考依據(jù)。