核电厂公共区域冷却器结构抗震能力分析

迟 鹏（哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078）



核电厂公共区域冷却器结构抗震能力分析

迟 鹏
（哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078）

摘 要：本文针对核电厂公共区域的室内冷却器机组进行结构抗震分析，采用ANSYS软件的有限元分析方法，按照现行建筑抗震标准描述的地震情况，分别分析水平方向地震2.0g和2.7g的工况以及冷却器机组在设计载荷下的抗震情况。

关键词：核电厂；冷却器；有限元分析；抗震

考虑到核电厂可能因地震而发生类似日本福岛的事故，本文以水平方向地震2.0g和2.7g工况为例，对核电厂公共区域的室内冷却器机组通过有限元分析计算，提高设备抗震性能，更好地满足核电项目的需要。

1 有限元分析模型

笔者采用有限元分析软件ANSYS建立机组模型、划分网格、定义边界条件、求解并进行后处理，主要用到的单元类型有BEAM188、SHELL181、MASS21、CONTA175。框架结构中的角钢和槽钢采用BEAM188单元进行建模，面板、检修门、框架底座中的接水盘和底板采用SHELL181进行建模，采用质量单元MASS21建立表冷器和风机模型，并通过多点接触模拟表冷器与滑道、风机与框架之间的连接。在表冷器进出水集管管嘴位置分别建立两个MASS21质量单元并与表冷器单元进行耦合，以模拟管嘴载荷对机组的影响。冷却机组的有限元模型如图1所示。

在有限元模型中，笔者通过在两端框架的结合位置建立耦合单元对模拟表冷段框架与风机段框架的螺栓连接。在表冷段底座、风机段底座与基础锚接固定处，分别施加UX、UY、UZ方向约束。

2 载荷定义

笔者根据公共区域室内冷却器的特点，采用等级A合成载荷工况，其主要载荷为：正常载荷N+热载荷T+动载L+部件载荷CL+地震载荷SL。

图1 冷却机组有限元模型

2.1 正常载荷N

正常载荷包括正常运行压力超差、系统运行压力瞬变、净重、外部载荷和固定载荷。

2.2 热载荷T

热载荷应包括由温度引起的力和位移受约束所产生的负荷。机组的设计温度为65.6℃，在有限元分析中设定最高温度为65.6℃，参考温度20℃。

2.3 动载（L）

壳体顶盖可以承受250磅（113kg）的重量。在没有其他底板形式要求时，壳体底板的设计应考虑至少为50磅/平方英尺（244.1kg/m2）。

2.4 部件载荷（CL）

内部固定的部件对壳体施加的力在本项目计算中指的是冷却盘管和风机及电机的重量，其中盘管按注满水后的重量255kg考虑，风机及电机重量按100kg考虑。

2.5 地震载荷（SL）

由安全停堆地震引起的载荷。不同于ASME AG-1中载荷标准的规定，AP1000电厂对于运行基准地震不予评估。包括地震作用的水平部件和垂直部件这些正交分量都应同时合成计算，来得到最恶劣的应力和挠度，这些元件可以采用平方和开方法合成计算。根据文件“APP-G1-S1-001.pdf”，按照现行建筑抗震标准描述的地震和日本福岛发生的特大地震的情况，笔者分别分析水平方向地震2.0g和2.7g两个工况以及冷却器机组在该地震荷载下的抗震情况。

3 分析结果

3.1 机组应力分析

水平方向地震为2.0g。笔者采用等级A载荷合成工况对冷却器机组公共区域室内冷却器进行有限元分析，得到的机组的最大薄膜应力为30.5MPa，最大薄膜加弯曲应力为142MPa。

水平方向地震为2.7g。笔者采用同等工况进行有限元分析，得到机组的最大薄膜应力为39.7MPa，最大薄膜加弯曲应力为168MPa。

框架和壳体的许用应力应符合ASMEAG-1中的应力标准，在使用等级A工况下的基本普通薄膜设计应力应不超过0.6Fy，薄膜和弯曲组合设计应力应不超过1.5×0.6Fy，其中，Fy为材料的最低屈服强度。冷却器机组公共区域室内冷却器的材料中，ASTM 304的最大屈服强度Fy为205MPa，ASTM A6和ASTM A36的最大屈服强度Fy为250MPa，ASTM A653的最大屈服强度Fy为275MPa，由于：

0.6×205MPa=123MPa

1.5×0.6×205MPa=184.5MPa

因此，冷却器机组的薄膜应力、薄膜加弯曲应力满足应力标准。

3.2 底座构架挠度分析

水平方向地震为2.0g。在等级A载荷合成工况下，分别观察冷却器机组公共区域室内冷却器底座构架在UX、UY、UZ方向的形变，可以看出其沿UZ方向的挠变最大，因此，笔者选取UZ方向的挠变进行分析。得到UZ方向的挠变最大。挠变最大的梁为表冷器滑道下支撑构架的右冷弯槽钢，最大变形处相对于其两端的挠变为0.842mm。

水平方向地震为2.7g。在同等工况下也得出UZ方向的挠变最大。挠变最大的梁为表冷器滑道下支撑构架的右冷弯槽钢，最大变形处相对于其两端的挠变为0.975mm。

根据壳体底座构架的挠度标准，底座构架的最大允许挠度应取为其跨度的1/360与3.2mm的较小值。表冷器滑道下支撑构架右冷弯槽钢的长度为1.549m，由于：

因此，冷却器机组公共区域室内冷却器的底座构架满足挠度标准。

3.3 壳体框架挠度分析

水平方向地震为2.0g。在等级A载荷合成工况下，笔者分别观察冷却器机组公共区域室内冷却器壳体框架在UX、UY、UZ方向的形变，可以看出其沿UZ方向的挠变最大，因此，笔者选取UZ方向的挠变进行分析。得出UZ方向的挠变最大。挠变最大的梁为表冷器滑道的右冷弯槽钢，最大变形处相对于其两端的挠变为0.842mm。风机段框架顶部的中间支撑槽钢最大变形处相对于其两端的挠变为0.483mm。

水平方向地震为2.7g。笔者在同等工况下也得出UZ方向的挠变最大。挠变最大的梁为表冷器滑道的右冷弯槽钢，最大变形处相对于其两端的挠变为0.975mm。风机段框架顶部的中间支撑槽钢最大变形处相对于其两端的挠变为0.482mm。

根据壳体框架的挠度标准，框架的最大允许挠度应取为其跨度的1/360与19mm的较小值。表冷器滑道右冷弯槽钢的长度为1.549m，风机段框架顶部的中间支撑槽钢的长度为1.491m，由于：

因此，冷却器机组公共区域室内冷却器的框架满足挠度标准。

3.4 面板挠度分析

水平方向地震为2.0g。在额定工作压力下，笔者分别观察冷却器机组公共区域室内冷却器壳体面板在UX、UY、UZ方向的形变，可以看出其沿UZ方向的挠变最大，因此，选取UZ方向的挠变进行分析。得出在额定工作压力下，冷却器壳体面板沿UZ方向的最大位移处位于风机段顶面板的中段，其最大变形处相对于两端的挠变为2.5284m。

水平方向地震为2.7g。在同等工况下笔者也得出冷却器壳体面板沿UZ方向的最大位移处位于风机段顶面板的中段，其最大变形处相对于两端的挠变为2.5285mm。

根据面板的挠度标准，框架间跨度每0.3048m应不超过3.2mm，且在任何方向上不得超过19mm。风机段顶面板的框架间跨度为0.450m，由于：

因此，冷却器机组公共区域室内冷却器的面板满足挠度标准。

3.5 锚定机构受力分析

冷却器机组采用6组10.9级M16地脚螺栓、M16螺母与基础锚定。10.9级M16高强度螺栓在工作温度下的许用抗拉强度为500MPa，许用抗剪强度为310MPa，有效应力面积Ae为1.567cm2。根据螺栓紧固件的要求，同时承受剪力和轴杆方向拉力的螺栓，应符合下列公式的要求：

通过有限元计算可以得到机组公共区域室内冷却器锚定机构所受到的拉力和剪力。根据各螺栓在三个方向上受到的作用力，可计算拉伸应力和剪切应力，并进行校核。

结论

根据以上的应力分析和挠度分析可以得出，化容系统上充泵房公共区域冷却器能承受正常运行时的作用力，并分析水平方向地震2.0g和2.7g工况，底座构架、壳体框架和面板能够满足其挠度标准。

在未来的项目执行中，我们可以根据具体项目的结构特点、工况条件、地震烈度等实际情况进行针对性的计算，对于结构的薄弱部位进行改进，使结构的抗震性能够达到要求，更好地满足核电项目的需要。

参考文献

［1］胡少卿，张永利.广东台山核电一期1，2号机组空气冷却器的抗震性能计算分析［J］.世界地震工程，2011，27（2）：148-153.

中图分类号：TF758

文献标识码：A