臨界裝置臺架抗震分析與螺栓強(qiáng)度校核

張建松，梅華平，何梅生，胡家海，李桃生

(1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230027)

1 引 言

臨界裝置是開展基礎(chǔ)核數(shù)據(jù)檢驗、驗證堆芯設(shè)計合理性的重要工具，是新型核反應(yīng)堆系統(tǒng)研發(fā)必不可少的試驗平臺。臺架是臨界裝置反應(yīng)堆容器、反應(yīng)性控制系統(tǒng)、核測量系統(tǒng)等核心部件的支撐平臺，按照核安全設(shè)備管理要求，其機(jī)械強(qiáng)度必須滿足抗震I類物項的設(shè)計要求。

本文針對臨界裝置臺架設(shè)計要求，提出了一種鋼管支腿支撐的薄板臺架結(jié)構(gòu)。為了保證在地震工況下臺架結(jié)構(gòu)的完整性和安裝的牢固性，利用有限元方法對臺架進(jìn)行了抗震分析，同時對地腳螺栓進(jìn)行了選型與校核。研究結(jié)果對今后類似臺架的設(shè)計、優(yōu)化等均有一定的參考價值。

2 臺架方案

臨界裝置臺架設(shè)計采用鋼管支腿支撐的薄板臺架結(jié)構(gòu)，材料為常見的Q235碳素體結(jié)構(gòu)鋼，材料剛度大，屈服強(qiáng)度值高，焊接工藝成熟。臺架由主、副臺架組裝焊接而成，如圖1所示。主臺架主要用于承載臨界裝置反應(yīng)堆容器，副臺架主要用于安裝堆外核測量系統(tǒng)及人員通道等，設(shè)計采用移動登高梯實現(xiàn)工作人員上下平臺。

(a)方案一

(b)方案二圖1 臺架結(jié)構(gòu)示意圖

主臺架臺面厚度為30mm，長×寬為2m×2m，副臺架臺面厚度為5mm，長×寬為5m×5m，中間留有2m×2m的矩形孔用于安裝主臺架臺面，主臺架臺面底面與副臺架臺面底面平齊。主臺架臺面中心預(yù)留直徑600mm的通孔，用于安裝反射層解體停堆機(jī)構(gòu)。主臺架臺面下方焊接4根長×寬為200mm×200mm、壁厚12mm、高度為1.8m的支腿，副臺架臺面下方焊接8根同樣規(guī)格的支腿。相鄰支腿之間焊接工字鋼作為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，工字鋼上表面同相應(yīng)位置的臺面焊接，其寬×高為102mm×200mm，上下翼面厚度為11.4mm，腰板厚度為12mm。12根支腿下方均焊接有長×寬為320mm×300mm、厚度為10mm的鋼板底座，每塊鋼板底座上預(yù)留4個直徑為24mm的通孔，用于連接地腳螺栓。副臺架臺面外側(cè)設(shè)計有安全護(hù)欄。

為探討加強(qiáng)筋對鋼管支腿支撐的薄板臺架結(jié)構(gòu)的影響，本文設(shè)計對比了無加強(qiáng)筋(圖1中方案一)和有加強(qiáng)筋(圖1中方案二)兩種方案，方案二較方案一在臺架支腿和工字鋼連接位置增加了24根L形加強(qiáng)筋。臺架總質(zhì)量由方案一的4187.8kg增加至4283.8kg。

3 臺架抗震分析

3.1 計算模型

利用ANSYS Workbench軟件，按照臨界裝置臺架結(jié)構(gòu)尺寸，1∶1構(gòu)建了臺架計算模型，如圖2所示。計算模型劃分網(wǎng)格時，主體網(wǎng)格為面映射網(wǎng)格[1]，其中，兩種方案的主臺架臺面上附加質(zhì)量部分的網(wǎng)格利用膨脹層方式生成。方案一網(wǎng)格數(shù)量為326517個，節(jié)點數(shù)為2231407個，方案二網(wǎng)格數(shù)量為453187個，節(jié)點數(shù)為2493901個，兩種方案的網(wǎng)格質(zhì)量均在0.9以上。反應(yīng)堆容器的質(zhì)量為5.11t，對臺架結(jié)構(gòu)性能的影響通過附加質(zhì)量5.2t(偏保守)體現(xiàn)，護(hù)欄的質(zhì)量很輕，計算過程中忽略其對強(qiáng)度的影響。計算分析時采用室溫下材料的性能參數(shù)，詳見表1。

(a) 方案一網(wǎng)格模型

(b) 方案二網(wǎng)格模型

(c)附加質(zhì)量施加示意圖圖2 臺架計算模型

表1 臺架材料參數(shù)

3.2 模態(tài)分析

對兩種方案的臺架進(jìn)行了模態(tài)分析，通過固定鋼板底座的48個螺栓孔面，計算提取了臺架前十階的固有頻率，結(jié)果見表2(注：因部分有效質(zhì)量比極小，所以視為0.00%)。可以看出，在X、Y、Z三個方向上，臺架前十階模態(tài)的有效質(zhì)量比之和均大于90%。考慮附加質(zhì)量時，方案一的基態(tài)頻率為17.36Hz，基態(tài)頻率偏低表明臺架抗震性能較低，方案二的基態(tài)頻率為21.62Hz，抗震性能有所提升。由頻率與質(zhì)量、剛度的關(guān)系可知，質(zhì)量升高導(dǎo)致固有頻率降低，但方案二中通過增加加強(qiáng)筋提高了臺架整體剛度，增大了臺架固有頻率，表明加強(qiáng)筋剛度對固有頻率的影響明顯大于其質(zhì)量對固有頻率的影響。

表2 兩種方案前10階模態(tài)參數(shù)

從表2可以看出，各方向激發(fā)有效質(zhì)量比主要集中在前三階模態(tài)，圖3、圖4給出了兩種方案前三階模態(tài)情況?？梢钥闯?，方案一中，一階振型主要沿水平X方向，二階振型主要沿水平Y(jié)方向，三階振型在主臺架圓孔處沿垂直Z方向振動。方案二中，一階振型在主臺架圓孔處沿垂直Z方向振動，二階振型主要沿水平Y(jié)方向，三階振型主要沿水平X方向。分析認(rèn)為，由于方案一中支腿高度為1.8m、壁厚僅為12mm，屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)，較易激發(fā)共振。在方案二中增加加強(qiáng)筋后，臺架支腿剛度顯著提升，使得激發(fā)水平方向共振的頻率升高，提高了抗震能力。此外，由于固有頻率與質(zhì)量負(fù)相關(guān)，反應(yīng)堆容器質(zhì)量附加于主臺架圓孔附近，這使得該區(qū)域較易激發(fā)共振，兩方案沿垂直Z方向激發(fā)共振的頻率基本一致。

(a)一階

(b)二階

(c)三階圖3 方案一模態(tài)云圖

(a)一階

(b)二階

(c)三階圖4 方案二模態(tài)云圖

3.3 抗震分析

臺架在臨界裝置物項分類中屬于抗震Ⅰ類物項，應(yīng)進(jìn)行符合極限安全地震水平的地震震動分析驗證，利用ANSYS軟件的Response Spectrum模塊對兩種臺架方案進(jìn)行了抗震分析。參考GB 50267—2019《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》[2]要求，極限安全地震工況下，臺架的阻尼比按照7%取值。臨界裝置廠址為硬土地場，計算用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)見表3。在0.3g的設(shè)計地震峰值加速度下，兩種方案的反應(yīng)譜分析結(jié)果見圖5、圖6。從圖5、圖6可知，方案一的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為116.76MPa，位于主臺架支腿的地腳螺栓孔處。分析認(rèn)為，此處附加質(zhì)量較大，地震工況下該位置所受載荷較高。方案一的最大變形量為0.69mm，位于臺面圓孔邊緣。方案二的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為87.77MPa，發(fā)生位置也位于主臺架支腿的地腳螺栓孔處。方案二的最大變形量為0.42mm，發(fā)生位置與方案一相同，但總變形情況得以改善。與方案一相比，方案二的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低了24%，最大變形量降低了39%。因此，選擇方案二作為該臨界裝置臺架的最終方案。

表3 標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)[2]

(a)總變形量

(b)應(yīng)力分布圖5 方案一抗震計算結(jié)果

(a)總變形量

(b)應(yīng)力分布圖6 方案二抗震計算結(jié)果

4 螺栓選型與校核

4.1 螺栓受力情況

臺架螺栓最大受力情況如表4所示。

表4 臺架螺栓最大受力

4.2 抗拉強(qiáng)度校核

將方案二中受力最大的地腳螺栓在X、Y方向受力進(jìn)行矢量合并，可得到其橫向力Fh，豎直方向主要承受拉力Fz。

在橫向力Fh作用下，鋼板底座與地腳螺栓平墊鐵的接合面不產(chǎn)生滑移的條件：

根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊[3]查得，接合面摩擦系數(shù)取0.3，防滑系數(shù)KS取1.2，為保證校核安全，盡量取較小值，取值為0.2，則地腳螺栓所需要的最小預(yù)緊力為：

設(shè)計地腳螺栓預(yù)緊力為18000.0N，此時地腳螺栓所受軸向拉力為：

選擇螺栓材料為Q235，性能等級為4.6，材料屈服極限σS=240MPa，安全系數(shù)S取1.5，則螺栓材料的許用應(yīng)力：

參考機(jī)械設(shè)計手冊的相關(guān)要求，軸向力增加30%以考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，螺栓危險截面需滿足的條件是：

上式中，d1為螺栓危險截面直徑。

從工作條件及材料疲勞強(qiáng)度等多方面考慮，根據(jù)GB/T 799—2020《地腳螺栓》[4]，初步選用公稱直徑D=24mm、螺距為1.5mm的A型地腳螺栓(螺紋小徑d=22.376mm)，d>d1。

4.3 抗剪強(qiáng)度及抗擠壓強(qiáng)度校核

對于Q235結(jié)構(gòu)鋼，許用切應(yīng)力為：

[τ]=(0.75～0.8)[σ]

許用擠壓應(yīng)力為：

[σbs]=(1.7～2.0)[σ]

本文保守地取[τ]=130MPa，[σbs]=280MPa，螺栓實際受到的切應(yīng)力為：

螺栓實際受到的抗擠壓應(yīng)力為：

上式中，Abs為接觸面在直徑平面上的投影，為鋼板底座處螺栓孔側(cè)面與螺栓的接觸面，對于A型地腳螺栓，取值為223.76mm2。

上述計算表明，地腳螺栓的抗剪切強(qiáng)度、抗擠壓強(qiáng)度均滿足要求。

4.4 地腳螺栓及相關(guān)緊固件選型

綜上所述，選取規(guī)格為M24的A型地腳螺栓可滿足使用強(qiáng)度要求。根據(jù)地腳螺栓長度序列，以及對于重要設(shè)備地腳螺栓埋深L1≥30D的要求，公稱長度L選為800mm。為防止地震或者其他事故導(dǎo)致螺栓松弛，根據(jù)GB/T 93—1987《標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈》[5]，選用M24標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈，根據(jù)GB/T 1337—1988《六角自鎖螺母》[6]，選用規(guī)格為M24自鎖螺母。M24彈簧墊圈厚度為6mm，M24自鎖螺母厚度為22mm，緊固后地腳螺栓露3個螺紋，長度為4.5mm，平墊鐵厚度選為25mm，綜合考慮零部件加工及安裝各因素導(dǎo)致的誤差，埋深L1設(shè)定為735mm，L1>30D，符合埋深的要求。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了臨界裝置的支撐臺架，并對臺架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗震分析和螺栓強(qiáng)度校核，結(jié)果表明：

(1)采用有加強(qiáng)筋的方案，臺架的基態(tài)頻率升高，抗震能力明顯增強(qiáng)。在0.3g的極限地震震動加速度峰值下，臺架最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為87.77MPa，位于主臺架的底板地腳螺栓孔處；最大變形量為0.42mm，位于臺面圓孔邊緣。與無加強(qiáng)筋方案比較，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低了24%，最大變形量降低了39%。

(2)選用M24的A型地腳螺栓，可滿足極限安全地震工況下臺架地腳螺栓最大受力帶來的抗拉強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度及抗擠壓強(qiáng)度的要求。