AP1000核电站海水循环泵可运行性分析

欧鸣雄1，2，严建华2，盛 绛2，施卫东1，滕国荣2

（1.江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；2.江苏省特种化工泵工程技术研究中心，江苏 靖江 214500）

AP1000核电站海水循环泵可运行性分析

欧鸣雄1，2，严建华2，盛 绛2，施卫东1，滕国荣2

（1.江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；2.江苏省特种化工泵工程技术研究中心，江苏 靖江 214500）

建立了AP1000立式循环泵机组的整机有限元模型，采用响应谱法针对循环泵在设计地震载荷工况下的强度及其动、静部件的变形位移进行了分析，并对该泵在设计地震载荷工况下的结构完整性和可运行性进行了评估。分析结果显示，该泵的1阶横向弯曲振动频率为14.4Hz，在单位水平激励载荷下，其前4阶振型在模型中的有效质量分数达0.94。在设计地震载荷工况下，作为主承压部件的泵体最大组合应力为203MPa，叶轮室段壳体最大变形位移不超过1.5mm，转子部件最大组合应力为1.7MPa，最大变形位移为0.8mm，该系列响应值均在循环泵设计允许范围内，分析结果显示该泵能满足结构完整性和可运行性的要求。

核电站；地震载荷；泵；有限元分析；可运行性

大型立式海水循环泵是AP1000核电站外围凝汽器循环水系统的核心设备，凝汽器循环水系统作为核电站冷却系统的重要部分，主要为汽轮机房凝汽器和闭式冷却水回路热交换器等提供冷却服务，该循环泵设备的稳定运行是整个核电机组的正常连续运行的重要保障。作为国内最新引进的第3代压水堆核电机组，AP1000核电站通过采用安全系统非能动理念简化了以往压水堆核电站的安全系统配置，大幅降低泵、阀等产品的数量，并提高了机组的经济性、安全性及运行寿命，其已成为未来我国核电建设的主要堆型［1］。与以往国内二代加核电站所采用的混凝土蜗壳海水循环泵相比，AP1000核电站所采用的立式循环泵减少了相关的土建、施工及检修成本，更适宜于系统参数配置及经济性［2］。作为AP1000核电站国产化进程的重要设备之一，该大型立式循环泵已成为国内核电泵行业的重要研发项目。

国内外专家在核电设备的可运行性等方面已进行了大量的研究［3-5］，但针对立式循环水泵的研究鲜有文献报道。根据山东海阳在建AP1000核电站采用的设计参数，其单台循环泵的设计流量达21m3／s，功率4 000kW，该参数远高于以往的电厂、泵站等领域所采用的循环泵产品。同时其可靠性及寿命要求均明显提高，尤其对于该泵在地震冲击载荷下的设备响应和可运行性，对整个核电机组的正常稳定运行具有重要意义，也是其产品研发过程中的重要环节。

1 循环泵型式及有限元模型

目前，国内AP1000核电站均采用双基础的立式混流循环泵型式，电机与泵体分别固定在泵房内的上、下层基础上，转子部件与电机主轴刚性直联，出口弯管从上、下层基础之间伸出，主要结构部件包括：进水流道、叶轮、导叶体、泵体、套管、泵轴、联轴器和电机等，具体结构示于图1。

图1 立式循环泵结构Fig.1 Structure of vertical circulation pump

每台AP1000机组采用3台并列运行的立式循环泵，单台循环泵的设计流量为21m3／s，设计点扬程为12m，最大流量达26m3／s，电机功率为4 000kW。该泵采用斜流式叶轮模型，后置导叶体结构，泵体为不锈钢薄壁筒体结构，各段薄壁筒体之间采用焊接或紧固螺丝联接。由叶轮、泵轴、刚性联轴器和电机主轴等组成的转子部件为可抽取式结构，并在泵轴段通过套管实现干式结构设计，整个转子部件保持刚性联接，叶轮轴向载荷由电机内部的推力轴承承担，并通过泵体内的上、下两端水润滑导轴承对其进行横向支承。

1.2 整机有限元模型

采用有限元软件ANSYS进行立式循环泵的可运行性分析，该泵可运行性分析的重点包括其主承压件泵体和转子部件两部分。泵体结构采用壳单元进行建模，而整体刚性联接的转子部件则采用三维梁单元进行建模，约束泵轴横向位移的水润滑导轴承采用弹性阻尼单元进行模拟，而对于导叶体、弯管等泵体附属部件，依据以往分析经验及耦联规范要求［6］，使用质量元单位进行模拟。由于电机的结构较为复杂，因此基于简化模型考虑，该处采取保守处理，在整体模型中忽略电机结构部分，将转子部件在电机内部的轴承约束作为直接约束处理。由此得到的整机有限元模型示于图2。

图2 循环泵整机有限元模型Fig.2 Finite element model of circulation pump

2 模态特性分析及讨论

2.1 模态特性分析

根据以往分析经验和规范要求，针对循环泵整机模型的前12阶模态和振型进行分析求解，得到的各阶模态频率列于表1。

表1 模态分析结果Table 1 Result of modal analysis

模型前2阶振型均以泵体的横向弯曲振动为主，3、4阶振型为转子部件的横向弯曲振动，高阶振型中包含有部分局部振型，均集中在泵体进口的喇叭管和出口弯管段，显示该泵体结构的局部薄弱处。整机模型的前2阶振型如图3所示。

由上文可知，在畜牧业生产中，因种种因素，为大气、水体、土壤等均带来了严重污染，影响了畜牧业的可持续发展。对此，采用有效措施，积极解决污染问题，成为推动畜牧业健康发展的关键。

图3 泵体1（a）、2（b）阶振型Fig.3 The 1st（a）and 2nd（b）order mode shapes of pump case

2.2 结果讨论

根据模态分析的结果，循环泵模型的前4阶振型频率均在地震载荷响应谱范围内，其中前2阶振型主要以安装基础以下的泵体部分沿水平x、y方向的横向弯曲变形为主，3、4阶振型也分别以转子部件在相同方向的横向弯曲变形为主。

通过在水平面内x、y方向对模型施加单位激励载荷确定的各振型参与系数和有效质量分数列于表2。由表2可知，在承受同方向的水平单位激励载荷时，结构响应的主要参与系数和有效质量分数均集中在前4阶振型内，其有效质量占全部有效质量的0.94，参与系数也远大于其他振型。由此可判断，在地震冲击载荷下，该循环泵结构模型的水平变形位移主要由其前4阶的低阶振型位移响应组成。

表2 参与系数和有效质量分数Table 2 Participation coefficient and effective mass fraction

3 地震响应分析及讨论

3.1 设计地震响应谱

根据设备地震响应分析规范及标准的要求，采用在RG1.60标准谱基础上修正的AP1000设计地震响应谱（安全停堆地震谱）作为立式循环泵的设计地震载荷。响应谱包括水平方向的x、y和竖直z轴在内的3个方向，其采用的水平地面峰值加速度为0.3g，竖直地面峰值加速度为0.2g［7］，均大于国内以往电站的相应地震峰值加速度，临界阻尼系数为4%［8］。该曲线包络了以往国内秦山、大亚湾电站相应设备的设计响应谱曲线，因此具有较大的设计裕度值［9］，其响应谱曲线如图4所示。

图4 设计响应谱曲线Fig.4 Design response spectrum curve

3.2 模态叠加法响应谱分析理论

为准确获得立式循环泵结构在设计地震载荷下的响应情况，通过模态叠加法响应谱分析对结构最大位移响应进行求解。通过这种基于线性系统的模态叠加法，将单自由度的模态方程解组合来解决多自由度的动力响应问题，其基本运动矩阵方程为：

式中：［M］为系统质量矩阵；［C］为系统黏度矩阵；［K］为刚度矩阵；［F］为外部载荷的矢量矩阵；［x］为位移向量；［x′］为速度向量；［x″］为加速度向量。

针对系统的基本运动微分方程，利用模态分析结果，通过矩阵变换将位移向量解出，代入基本运动微分方程，从而获得单独模态条件下的微分变换方程，并获得其位移向量解，其微分变换方程为：

式中：［η］为位移向量变换矩阵；δ为模态临界阻尼比；ω为固有频率；［σ］为模态相关矩阵，通过微分方程得出各模态下的位移向量解［10］。

以此方法分别针对各模态方程进行求解，并按分析规范的要求，使用SRSS组合方式合成得到系统结构组合响应值，即：

式中：RT为系统结构节点的组合响应值；Rij为节点在模态i方向j下的响应值；n为分析所采用的模态叠加总数。

3.3 设计地震载荷工况分析

根据设备分析规范要求，在设计地震载荷工况下，该立式循环泵所承受的载荷组合与应力评定准则列于表3。

表3 载荷组合及应力评定标准Table 3 Load combination and stress acceptance criteria

按表3所列载荷组合要求，针对同时承受设计内压、自重、设计地震载荷下的循环泵整机模型进行分析，得到循环泵在设计地震载荷工况下的各最大组合应力及变形位移。泵体部件的最大薄膜应力为199MPa，最大薄膜＋弯曲应力为203MPa，最大变形位移为2.4mm，其中在靠近叶轮附近的泵壳（叶轮室）段最大变形位移不超过1.5mm。转子部件在地震载荷冲击下的最大薄膜＋弯曲应力值为1.7MPa，最大应力位于电机向心轴承下端的电机轴端，转子部件最大变形位移为0.8mm，变形位于泵轴最下端节点处。泵体叶轮室段及转子部件的主要变形位移均分布在水平面内的x、y方向，其中泵体部件薄膜应力及位移分布示于图5。

图5 泵体薄膜应力（a）和变形位移（b）分布Fig.5 Membrane stress（a）and displacement（b）distributions of pump case

4 结果评定及讨论

根据表3的应力评定准则和结构设计允许值对循环泵在设计地震载荷工况下的分析结果进行评估，泵体最大组合应力及变形位移评定列于表4。

表4 泵体分析结果评定Table 4 Result assess of pump case

转子部件在设计地震载荷下的最大应力约为1.7MPa，该值远小于泵轴可靠性设计的允许值。此外，叶轮与泵体叶轮室段为动静转子易发生刮擦位置，而该处泵体与转子部件变形位移之和不超过2.3mm，小于设计允许值5m。考虑实际工况下该泵体内、外所存在的水体对机组模型阻尼和自振频率的影响以及水体阻尼对地震能量的耗散效应，该泵机组的实际应力和变形位移应小于上述模型分析值，综上所述，判定该循环泵能满足结构完整性与可运行性的要求。

5 结论

1）根据结果评定可知，该立式循环泵能满足设计地震载荷工况下的结构完整性及可运行性要求。

2）水平方向的地震冲击是影响循环泵结构响应的主要载荷因素，而整机模型的前4阶振型则是影响其结构响应的主要模态因素。因此，增加循环泵的结构刚度与改进低阶振型是进一步提高其抗震性能的主要措施。

3）以转子部件横向弯曲振动为主的3、4阶振型在整机模型中的有效质量分数接近0.1，且其振型变形方向位于水平地震载荷冲击平面内，因此在针对循环泵的动态响应分析中，应考虑转子质量因素的影响。

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Operability Analysis of Sea Water Circulation Pump in AP1000 PWR

OU Ming-xiong1，2，YAN Jian-hua2，SHENG Jiang2，SHI Wei-dong1，TENG Guo-rong2
（1.Research Centre of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang212013，China；2.Technical and Research Center of Special Chemical Pump，Jingjiang214500，China）

The integrated definite element model of vertical circulation pump assembles in AP1000was built.The static analysis and response spectrum analysis were used for normal design condition and design earthquake condition respectively，and the integrality and operability of pump were evaluated through strength and displacement analysis.The results demonstrate that the 1st lateral natural frequency of the pump is 14.4Hz，and the first 4vibration mode shapes consist of an effective mass ratio of 0.94 in the model under a horizontal excitation load.At the design seismic load condition，the max combination stress of pump case as the main pressure-bearing container is 203MPa，the max displacement in impeller case is 1.5mm，the max combination stress of motor assemble is 1.7MPa，and the max displacement of motor assemble is 0.8mm，all these results are allowable in design.The analysis results demonstrate that the integrality and operability demands of pump are met in this design.

nuclear power plant；seismic load；pump；finite element analysis；operability

TH313

A

1000-6931（2014）02-0305-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0305

2012-12-07；

2012-12-27

国家科技支撑计划资助项目（2011BAF14B01）

欧鸣雄（1983—），男，湖南怀化人，博士研究生，流体机械及工程专业