稳压器抗震分析简化力学模型探究

陈 涛,张云波

（1.深圳中广核工程设计有限公司，518124；2.环境保护部核与辐射安全中心,100082）

稳压器抗震分析简化力学模型探究

陈 涛1,张云波2

（1.深圳中广核工程设计有限公司，518124；2.环境保护部核与辐射安全中心,100082）

本文研究核电站稳压器抗震分析模型的建立方法。针对某堆型的稳压器，分析内部冷却剂的液面晃动效应及处理方法；对比分析节点个数、筒体壁厚、集中质量等因素对简化模型固有频率的影响，确定了稳压器抗震分析模型的简化原则。针对最终模型进行模态分析，并对计算结果进行评价。

核电站；稳压器；抗震分析；RCC-M规范

0 引言

美国ASME规范和法国RCC-M规范对于核设备动力学分析均有相关要求，而模型简化工作作为动力学分析的基础，是保证分析结果科学合理的重要前提。目前，国内外研究人员的工作重点主要集中在反应堆堆本体的动力学分析上，而对于稳压器的动力学分析则关注较少。本文主要研究稳压器抗震分析模型的简化方法，确立了模型简化原则并对简化结果进行评价。

1 稳压器结构简介

稳压器是压水堆核电站冷却剂系统的主要设备之一，用于对一回路进行压力控制和超压保护，是一级核承压设备。稳压器为立式圆筒结构，上、下部为球缺形封头。下部连接波动管管嘴、电加热器、核取样口和仪表管嘴；上部连接喷淋管嘴和喷头、安全阀组、仪表管嘴、脉冲管嘴和人孔。下封头安置在圆柱形裙座上。靠近上部设有水平支撑结构和阀支架。其结构见图1。

2 抗震分析模型简化

2.1 水的晃动效应

对于容器内水的晃动效应，通常的处理方法包括国内《石油化工钢制设备抗震设计规范》GB50761等均参照GEORGE W.

HOUSNE的文章将水等效为图2所示的相当系统，质量为M的水分成静水和动水两部分。静水相对水箱静止（脉动效应），

图1 稳压器结构示意图Fig. 1 General structure of pressurizer

质量为M0高度为h0；动水在水箱内晃动（振荡效用），质量为M1，质心高度为h1。将稳压器等效为一个内半径r=1.062m的圆柱形水箱，那么稳态运行工况下（60%充水）水面高度h=6.946m。可以得到：

图2 稳压器内部水晃动效应示意图Fig. 2 Impact of water contained in the pressurizer

根据经验，稳压器在稳态运行工况下的固有频率一般为10HZ左右，因此内部水的频率比稳压器的固有频率低得多，不会与稳压器发生耦合共振。简化力学模型中可以忽略水的自由表面的晃动效应，即假定水相对于稳压器静止。

2.2 容器壁的简化

稳压器容器壁用一系列的梁单元模拟，包括封头、筒体、裙座等主体材料和内部堆焊层。根据体积不变、中径不变原则将上、下封头等效成圆形截面梁单元；筒体外径尺寸不变，厚度包含保温层；裙座的外径和壁厚不变。

分别取稳压器各壁厚的名义值和最小值建立模型并进行模态分析。结果显示，采用名义壁厚时，前几阶输出频率更接近稳压器相应标高地震激励的峰值频率，因此取名义壁厚更保守。

2.3 水和保温层的简化

稳压器内的水假定相对静止附加在容器壁上。外部保温层包括保温材料及支架结构。采用3.2节的等效方法确定梁单元截面尺寸，水和保温层通过修改相应位置梁单元的密度附加在筒壁截面上。稳态运行工况下只有稳压器容积的60%充水，附加水质量时需计算出相应液面高度。

2.4 集中质量的简化

各接管嘴、电加热器、人孔、阀支架等简化成集中质量单元，排放管和环管固定在阀支架上并与阀门接管连接，因此也应一并考虑。

电加热元件质量沿长度方向按比例分布在三个不同的点上，即电加热器与下封头焊接处、上下支撑板位置。

分别将排放管、环管和安全阀置于阀门支架和阀门接管位置，对比分析结果显示，置于阀门接管时结果更保守，但两者差别很小。考虑稳压器实际结构，将其置于阀门支架上。

采用圆环、圆柱的转动惯量计算公式并结合移轴定理计算各集中质量点相对X、Y、Z轴的转动惯量。对比计算考虑和未考虑转动惯量的情形。结果显示，两者差别很小，可以忽略转动惯量的影响。

2.5 建立简化模型

采用3.4节的方法确定集中质量节点位置。修改梁单元其他部位节点个数，分别采用23段和53段梁对比计算。结果显示，两者输出频率和振型基本一致。因此，23段梁足以模拟稳压器的力学性能。最终确立的主要节点位置见表1。

表1 稳压器简化模型节点位置Tab. 1 Node location of pressurizer simplified model

3 模型检验

3.1 材料属性

采用稳压器主体材料16MND5的材料属性，其材料力学性能见表2。

表2 稳压器主体材料属性Tab. 2 Material properties of pressurizer

3.2 边界条件

稳压器通过裙座固定在反应堆厂房楼板上，裙座以一定的刚度（包括平动和转动）与土建结构相连，计算稳压器固有模态时考虑支撑裙座和反应堆厂房楼板刚度。

3.3 计算结果及评价

进行模态分析计算稳压器固有振动特性，输出稳压器的固有频率和振型。由于不同工况下稳压器内部水体积不同，且温度不同导致材料属性不同，取正常运行和初始启动两种工况。模态分析结果见表3，稳态运行工况第1、2阶振型见图3。

经验算法容器壁采用最小壁厚且未考虑环管、排放管和安全阀的质量，结果正常运行工况下固有频率为9.8HZ，初始启动工况下固有频率为8.6HZ。参考其数值，认为本文计算结果在合理范围内。

通过对比验证可知，采用前述方法建立的稳压器简化力学模型合理可靠，可用于稳压器的抗震分析。

表3 本文模型的模态分析结果Tab. 3 Results of modal analysis for pressurizer

4 展望

目前，稳压器抗震分析仅限于线性分析。在SSE地震载荷激励下，支承部件间会产生碰撞、脱离等相对运动。简化模型中是否有必要考虑横向支承的间隙、摩擦、阻尼等因素，未来可兼顾精确性和经济性，开展稳压器的非线性抗震分析研究，并与目前的线性分析结果进行对比。

[1] RCC-M Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].Edition June 2000, 1st modification＋addendum 2002.

[2] ASME Boiler and Pressure Vessel Code[M].American Society of Mechanical Engineers,2004.

[3] THE DYNAMIC BEHAVIOR OF WATER TANKS,VOL.53,NO.2, PP. 381-387,GEORGE W. HOUSNER[M],1963.02

[4] DYNAMIC PRESSURES ON ACCELERATED FLUID CONTAINERS, GEORGE W.HOUSNER[M],1957

张云波，工程师，2008年毕业于华北电力大学控制理论与控制工程专业，硕士，现从事核电厂安全评审工作

Finite Element Model for Pressurizer Seismic Analysis

Chen Tao1,Zhang Yunbo2
(1.China Nuclear Power Design Company,Ltd (Shenzhen),518124 2.Nuclear and radiation safety center,100082)

In this paper,finite element model of beam element for pressurizer seismic analysis was built. Impact of the relative movement of the water contained in the pressurizer was considered.Comparisons were made with different number of nodes,different thickness of PZR shell,and different value of concentrated masses.At last,modal analysis was carried out,natural frequencies and vibration shapes were got and the results were estimated.

Nuclear Power Station;Pressurizer;Seismic analysis;RCC-M Code

图3 稳态运行工况第1、2阶模态Fig. 3 First and second modal of pressurizer under nomal condition

陈涛（1981—），女，工程师。2006年毕业于大连理工大学机械工程学院（机械电子工程专业），获硕士学位。现从事反应堆结构力学分析工作。