核电站用贮气罐抗震分析

华 君，任 新，冯 萍

（中船重工集团第七○三研究所无锡分部，江苏 无锡 214151）

核电站用贮气罐抗震分析

华 君，任 新，冯 萍

（中船重工集团第七○三研究所无锡分部，江苏 无锡 214151）

采用有限元法，对台山核电站SBO柴油发电机组用贮气罐进行了结构抗震计算分析。介绍了贮气罐结构的力学建模、载荷条件和地震响应谱分析方法，计算得到了结构的固有频率、振型和地震载荷下的响应，并根据RCCM规范对结构在重力、内压、地震等多种载荷组合下的应力进行评定。结果表明，贮气罐的结构强度满足规范要求。计算结果为贮气罐的抗震设计提供了依据。

核电站；贮气罐；抗震；谱分析；应力评定

世界上主要有核国家先后建立了一整套有关抗震设计与鉴定的法规、导则和规范[2-3]，从而为核电厂的抗震安全性提供了保证。核电厂抗震设计与鉴定的目的就是保证设备在发生安全停堆地震（SSE）时，能够维持结构完整性和可运行性，执行其安全功能。

台山核电站SBO柴油发电机组配套的贮气罐，属于抗震1类设备，其功能安全等级为F2。本文采用有限元前后处理软件MSC.Patran建立了贮气罐的力学模型，采用有限元结构分析软件MSC.Nastran进行了静力分析、模态分析及地震响应分析，并依据有关设计规范和标准进行了应力评定和强度校核，为贮气罐的抗震设计提供了依据。

1 结构描述

贮气罐主要由筒体、封头、人孔、支腿及接管等部件组成，主要设计参数见表1，结构简图见图1。

贮气罐本体材料为SA516 Gr.70，筒体内径φ1 000 mm，壁厚20 mm；3个支腿材料为Q235B，其底板和立板壁厚8 mm；接管材料为SA106 Gr.B。材料的力学性能如表2所示。

2 力学模型[5]

分析系统主要采用板壳单元（SHELL）、梁单元（BEAM）和集中质量单元（MASS）建立有限元模型，如图2所示。其中，贮气罐筒体、封头、人孔及支腿采用板壳单元模拟，这是重点分析部件；接管采用梁单元模拟；其他非重点部件比如法兰、仪表、安全阀等，采用集中质量单元模拟，将质量施加在结构相应的节点位置。

静力分析及模态分析时，将支腿底板焊接处作为固定边界，约束所有节点的6个方向自由度。

为进行响应谱分析，建立一个大质量点单元（MASS）模拟大地，支腿底板与基础锚固板之间为焊接，用刚性连接的多点约束单元（MPC）模拟。地震作用力通过MPC单元传递到贮气罐结构上。

表1 主要设计参数Table 1 Main design parameters

表2 材料的力学性能Table 2 Mechanical property of material

3 载荷条件[6]

静态载荷（DW）考虑结构自重、内压力及外部管道作用于管口的推力载荷。贮气罐重量约1 675 kg，重力作用方向为-Y轴方向。罐内压缩空气最高工作压力为3 MPa。作用于管口的载荷如表3所示。

地震载荷（SL）采用设备安装所在位置的设计楼层反应谱（±0.0 m层），阻尼比为0.04，SSE地震反应谱加速度值见表4。

图1 贮气罐结构简图Fig.1 Sketch of the air storage tank

图2 有限元计算模型Fig.2 Finite element calculating model

表3 管口载荷Table 3 Nozzle load

表4 地震反应谱加速度值Table 4 Acceleration value of the seismic response spectrum

考虑如下两种载荷组合，分别对应两种载荷使用限制：

（1）A级载荷使用限制：设计（正常）工况载荷组合：DW。

（2）C级载荷使用限制：紧急工况载荷组合：DW+SL。

4 响应谱分析方法[6]

响应谱分析方法的求解过程简述如下：

首先进行模态分析得到固有频率及振型，然后采用振型分解方法得到各阶模态的响应（包括支反力、位移、应力等），最后利用平方和的平方根（SRSS）法进行组合获得结构的地震响应。

设ur(t)为单自由度振子由于基座运动uB(t)引起的响应：

采用SRSS法进行组合：

5 应力评定准则

依据RCCM[1]规范，对于板壳结构单元的应力评定准则见表5。表5中，Pm为总体薄膜应力，Pb为弯曲应力，S为材料的基本许用应力，见表2。

对于角焊缝的应力评定，依据欧洲规范EN1993-1-8[4]，应满足下式：

式中：σw为焊缝的计算应力；

[σ]=0.85S为焊缝的许用应力；

σ⊥为垂直于焊缝有效截面的正应力；

τ⊥和τ//分别为有效截面内垂直和平行于焊缝长度方向的切应力，如图3所示。图中的a为角焊缝有效厚度。

表5 板壳单元应力评定准则Table 5 Stress evaluating criterion for the board unit

6 计算结果与评定

6.1 固有频率

采用Lanczos方法进行模态分析，得到50 Hz以内的所有模态。结构第1阶频率为29.309 Hz，其模态振型见图4。

6.2 结构应力评定

贮气罐本体及支腿应力评定结果见表6，其中本体的应力计算考虑了钢板腐蚀裕量的影响。结构在DW+SL工况下的应力云图见图5。

6.3 焊缝应力检查

贮气罐底板锚固角焊缝高度为8 mm，焊缝有效厚度a=5.6 mm。按C级载荷（DW+SL）工况的最大支反力考虑，焊缝计算应力为9.90 MPa，远低于许用应力122 MPa，满足强度要求。

图3 角焊缝示意图Fig. 3 Sketch of fillet weld

表6 结构应力评定Table 6 Evaluation of structure stress

图4 第1阶模态振型图Fig.4 No.1 primary vibration mode diagram

图5 应力云图（DW+SL工况）Fig.5 Stress cloud chart (DW+SL work condition)

7 结论

本文应用有限元法对贮气罐进行抗震计算分析，并根据RCCM[1]规范要求对结构进行了应力评定。结果表明：贮气罐结构设计满足抗震性能要求。

[1] RCCM-2005，压水堆核电站核岛机械设备设计和建造规则[S].（RCCM-2005，Design and Construction Criteria for NI Mechanical Equipment of PWR NPP[S].）

[2] GB 50267—1997，核电厂抗震设计规范[S].（GB 50267—1997，Nuclear Power Plant Aseismic Design Criteria[S].）

[3] HAF 0215（1），核电厂的抗震设计与鉴定[S].（HAF 0215 (1)，Nuclear Power Plant Seismic Design and Authentication [S].）

[4] EN 1993-1-8， Eurocode 3，Design of steel structures，Part 1-8，Design of joints[S].

[5] 刘兵山，黄聪，等. Patran从入门到精通[M]. 北京：中国水利水电出版社，2003.（LIU Bing-shan，HUANG Cong，et al. Patran from Entry Level to Proficiency [M]. Beijing：China Water Power Press，2003.）

[6] 张永昌. MSC.Nastran有限元分析理论基础与应用[M]. 北京：科学出版社，2004.（ZHANG Yongchang. Theoretical Basis and Application for MSC Nastran Finite Element Analysis[M]. Beijing：Science Press，2004.）

Anti-seismic analysis for air storage tank used in the nuclear power plant

HUA Jun，REN Xin，FENG Ping
(Wuxi Branch of No.703 Research Institute of CSIC，Wuxi of Jiangsu Prov. 214151，China)

This text calculates and analyses the structure of the air storage tank used for the SBO diesel generator set of Taishan nuclear power plant through finite element method， and simply introduces the mechanical modeling， loading condition and seismic response spectrum analyzing method for the structure， then get the natural frequency， vibration mode and response under seismic load of the structure through calculation. Evaluate the stress under the combined load such as gravity， internal stress， seism of the structure according to RCCM. The result shows that the structure intensity of the air storage tank meets the requirements of the specification. The calculating result gives the accordance for the seismic design of the air storage tank.

nuclear power plant；air storage tank；anti-seismic；spectrum analysis；stress evaluation

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2011)04-0366-06

TM623

A

1674-1617(2011)04-0366-06

2011-07-04

华 君（1978—），男，江苏无锡人，高级工程师，本科，从事核电厂用应急柴油发电机组成套设计及研究工作。