關于核電站中帶鋼絲繩減震器的風機的抗震性能研究*

王 平

(同濟大學，上海 200092)

0 引 言

核電站要正常工作，核級風機在核電廠中不可或缺[1]。FQ-C26-9.1D是一種帶有鋼絲繩減震器的風機，由于其優(yōu)良的通風冷卻功能，以及裝了鋼絲繩減震器后顯著提高其抗震性能[2]，不期將應用在核電廠中，但是為了保證結構在受地震荷載作用時，依舊可以正常工作，需要對其進行抗震性能分析。

1 目的和要求

同濟大學土木工程防災國家重點實驗室振動臺試驗室受浙江上風高科專風實業(yè)有限公司的委托，按照其提供的FQ-C26-9.1D風機圖紙資料，采用有限元軟件ABAQUS 6.14-1對FQ-C26-9.1D風機進行了抗震計算模擬分析。通過建立仿真模型對FQ-C26-9.1D風機進行了有限元計算分析，得出了該風機結構的動力特性及在各種工況下的結構響應。

具體計算分析內容和要求如下：按照結構尺寸、安裝要求進行建模；計算分析結構的動力特性；計算結構在設計地震作用下的響應；采用NB/T 20039-2014[3]、NB/T 20038-2011[4]及RCC-M[5]等相關標準規(guī)范評定結構主要受力構件、主要連接件在設計地震作用下的承載能力和變形能力是否滿足要求。

2 設備分級及載荷

2.1 設備分級

該風機的分級信息如下：

安全等級：SC

抗震類別為：I

質保等級：OA2

2.2 載荷組成

風機載荷組合如表1所示：

表1 載荷組合及應力評定等級

根據(jù)風機的具體情況，進行如下載荷假定：

由于膨脹節(jié)的作用，基本消除了進氣口和出氣口處的載荷，故計算中忽略進氣口和出氣口接管載荷。

本報告計算考慮了以下載荷：自重(DW)；正常運行壓差(NOPD)；活動載荷(L)；安全停堆地震載荷(SSE)。

由該組別風機的最高抗震要求為I級，事故工況使用等級的載荷按照C級應力評定準則進行評定，該處理方式是保守的。風機工況和載荷組合見表2所示。

表2 載荷組合及應力準則

3 評定規(guī)范要求

3.1 構件強度評定的規(guī)范要求

根據(jù)NB/T 20038第4.3.2節(jié)中的規(guī)定對風機設備結構件進行應力評定。相關評定準則見表3所示。

表3 結構件應力評定準則

3.2 變形評定準則

根據(jù)NB/T 20039第5.5.1.5節(jié)的規(guī)定，該風機正常工況下的變形限值如下表4所示。

表4 變形限制

3.3 螺栓強度評定的規(guī)范要求

根據(jù)NB/T 20038-2011第4.3.6節(jié)的要求對螺栓緊固件進行了相關應力評定。應力評定準則如表5所示。

表5 螺栓應力評定準則

由于螺栓在事故工況下的載荷比正常工況載荷更加嚴苛，故螺栓事故工況的評定采用正常工況限值，這樣處理的結果是保守的。

4 風機設備簡介及材料參數(shù)

FQ-C26-9.1D風機主要由減震器、風機底座、風機支架、電機、機殼等組成，如下圖1所示。

FQ-C26-9.1D風機主要為Q235材料，根據(jù)NB/T 20038第4.3.1規(guī)定，許用應力為S=Su/3.5(抗拉強度Su)和S=2Sy/3(屈服強度Sy)兩者的較小值，風機Q235的材料參數(shù)如表6所示。

表6 風機Q235材料參數(shù)

5 風機計算模型

本報告采用大型通用有限元軟件ABAQUS 6.14-1對FQ-C26-9.1D風機進行有限元建模和力學計算分析，其中鋼絲繩減震器的減震作用通過調整反應譜來體現(xiàn)，風機底座、風機支架、機殼均采用shell單元進行有限元建模；一般的，葉輪及輪轂的計算應力較小，其評定可省略，故葉輪部以及電動機將以質量點的形式在其重心位置處模擬建模(如圖3所示)，電機總質量為1265kg，因此每個分布在電機板上的集中質量為1265/4=316.25kg=0.31625t；風機底座與減震器、風機底座與風機支架以及風機底座與機殼的連接螺栓均采用Solid單元建模。FQ-C26-9.1D風機的有限元模型如圖2所示，整個計算模型共計單元數(shù)28567、節(jié)點數(shù)33147，計算總質量約2400kg。

5.1 坐標系

結構的整體坐標系如圖2所示，坐標原點在風機底座與機殼交匯處，整個風機的重心坐標為：

Xc=1398.26mm，Yc=652.15mm，Zc=289.55mm。

圖1 風機幾何模型

圖2 風機有限元模型

圖3 電機的集中質量點布置

5.2 邊界條件

整個設備通過風機支架與減震器連接螺栓進行固定，約束該質量點上的平動位移，如圖4所示。

圖4 風機的邊界條件

5.3 單 位

建模計算中采用的單位如下：長度(mm)，質量(t)，力(N)，壓力(MPa)，頻率(Hz)。

5.4 載荷

5.4.1 自重(DW)

選取風機及電機最大質量作為實際載荷，風機加載質量為2400kg(包含電機質量1265kg)

5.4.2 活動載荷(L)

2.1.3 供試品溶液的制備 取姜黃藥材0.2 g（60目），精密稱定，置具塞錐形瓶中，加入甲醇50 mL，稱定質量，超聲處理（功率250 W，頻率40 kHz）45 min，放冷，再稱定質量，用甲醇補足減失的質量，搖勻，取上清液用微孔濾膜（0.45 μm）濾過，即得。

正常工況下，由于制造和維修時的活載荷很小，故忽略不計。

5.4.3 靜壓(NOPD)

風機運行時的靜壓為16500Pa，有限元計算時，電機軸向及風筒施加相應的壓力16500Pa。

5.4.4 地震載荷(SSE)

結構的地震響應分析采用反應譜分析方法，首先進行模態(tài)分析，得到結構的固有動態(tài)特性；其次分別從x、y、z向輸入地震加速度反應譜，求解在地震載荷作用下的結構動態(tài)位移和動態(tài)應力響應；最后對每個方向的地震分量引起的動力響應進行SRSS組合得到對應的地震響應。風機安裝風機底座固定在鋼絲繩減震器上，地震譜經(jīng)該減震器作用后將被放大，計算使用的地震譜為該標高處經(jīng)減震器放大作用后的放大譜，三個方向的地震譜及被放大后的減震器放大譜如下圖5～圖6所示。

圖5 反應譜圖(2%阻尼比)

圖6 反應譜放大譜圖(2%阻尼比)

6 計算結果

6.1 模態(tài)分析結果

結構的固有頻率和模態(tài)總參與質量見下表7～表8所示。

表7 結構固有頻率

表8 結構前1000階模態(tài)總參與質量

6.2 結構強度評定

根據(jù)《NB/T 20038-2011核空氣和氣體處理規(guī)范設計和制造通用要求》，采用第一強度理論對結構強度進行校核，因此以下應力均是第一主應力。考慮以下兩種應力：總體薄膜應力Pm，總體薄膜應力+彎曲應力Pm+Pb。

表9 正常工況下結構的應力評定

表10 事故工況下結構的應力評定

6.3 結構變形評定

FQ-C26-9.1D風機結構跨度為2600mm，事故工況下結構變形使用正常工況變形限值評定，這樣的處理是保守的。由事故工況下結構的變形圖7可知結構的變形滿足規(guī)范要求，具體如下表11所示。

圖7 事故工況下結構的變形圖

表11 結構的變形評定結果

6.4 螺栓強度評定

對風機底座與減震器之間的螺栓、風機底座與風機支架之間的螺栓以及風機底座與機殼之間的螺栓進行強度評定。風機底座與鋼絲繩減震器連接的32個M14×60螺栓采用不銹鋼A2-70材料，其余螺栓等級為8.8級。用螺栓A級評定準則評定事故工況下螺栓載荷，該方式是保守的，對于風機底座與鋼絲繩減震器的連接螺栓則有：Ftb=0.5×700=350MPa，F(xiàn)vb=0.62Su/3=144.67MPa；對于其余8.8級的螺栓則有：Ftb=0.5×640=320MPa，F(xiàn)vb=0.62Su/3=132.27MPa。

風機底座通過32個M14×60的螺栓與減震器相連接，螺栓采用C3D8R進行模擬，螺栓實體的一端與風機底座綁定，另一端與減震器綁定；風機底座通過8個M16×55的螺栓與風機支架相連接，螺栓采用C3D8R進行模擬，螺栓實體的一端與風機底座螺栓孔綁定，另一端與風機支架螺栓孔綁定；風機底座通過8個M16×55的螺栓與機殼相連接，螺栓采用C3D8R進行模擬分析，螺栓實體的一端與風機底座螺栓孔綁定，另一端與機殼螺栓孔綁定。由表12可知，螺栓在事故工況下的應力滿足要求。

表12 螺栓在事故工況下的應力

7 結 語

FQ-C26-9.1D風機有限元抗震性能分析表明無論是在正常工況還是在事故工況下，風機均能正常工作。同時，對部件之間的連接螺栓進行了強度驗算，滿足我國核電設備相關規(guī)范的規(guī)定。除此之外還需要進行抗震風機的振動臺試驗[6]；有限元抗震性能分析以及振動臺試驗結果將為FQ-C26-9.1D風機在核電站廣泛應用提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。