地震工况下核电应急发电机组排烟装置的设计及仿真

李鹏涛，王戈战（. 陕柴重工西安电站工程分公司，陕西西安，70077；. 中船重工天津修船技术研究所，天津，300456）



地震工况下核电应急发电机组排烟装置的设计及仿真

李鹏涛1，王戈战2
（1. 陕柴重工西安电站工程分公司，陕西西安，710077；
2. 中船重工天津修船技术研究所，天津，300456）

本文以福建福清核电站5&6项目为依托，根据实际的现场环境设计了应急发电机组的排烟装置，并在Hyper mesh环境下进行了排烟装置的有限元建模和网格划分；同时利用Hyper mesh和ANSYS的无缝接口，在ANSYS软件中采用模态分析和反应谱分析相结合的方法计算了排烟装置在高温、设备负载、地震等不同工况下所受到的应力和位移，检验了排烟装置设计的正确性与合理性。

排烟装置；设计；模态分析；谱分析

引言

核电设备对于抗震性能的高要求不言而喻，伴随着科技的不断进步，核电技术已经从第一代发展到今天的第三代，甚至是三代半。在这个过程中，安全始终是贯穿整个核电发展的主轴线。

在设计和建造核电站的过程中，每次都对核电设备的设计和建造提出了更加苛刻的抗震性能要求。由于核电站的建设和运行要考虑到地震、海啸、飓风、爆炸等各种极端因素，所以在设计阶段就要考虑到地震因素的影响，对于一些关键的核级设备必须进行抗震试验来验证其可靠性，对于一些非核级设备必须进行强度的计算和校核［1-3］。本文建立了排烟装置的有限元模型，并利用模态分析和谱分析相结合的方法，仿真计算了各种工况下排烟装置的应力、位移情况［4］。

1　排烟装置的设计

根据应急发电机组厂房的实际结构和空间位置，考虑到金属在高温下的膨胀裕量和地震工况时的位移偏差，因此将排烟管分为前后两段，并在其中间部位、排烟管的进出口处各加上一个膨胀节（如图4），用于热膨胀余量的补偿和振动的缓冲。材料选择如表1。其具体结构如图1所示：整个排烟管直径为1118mm，采用壁厚为8mm不锈钢材质（15CrMoR）焊接而成，两个集气支管直径为710mm；整个排烟管采用固定支架和导向支架（12 Cr1MoV）相结合的方式安装，这样不仅能起到固定的作用，而且导向支架可以缓冲振动，起到保护作用；其中前半段排烟管由3个导向支架固定，后半段分别由1个固定支架和一个导向支架固定。

图1　排烟装置

表1　排烟装置材质

2　排烟装置的有限元模型

有限元方法的基本思路是“先离散，后集成”，它是运用近似求解的数学方法对于工实际工程问题进行求解，大多数复杂的工程问题通过有效的简化离散处理从而得到其足以满足实际需要的近似解。在CAE领域，Hyper mesh软件具有强大的前期处理和网格划分功能，而且对于其它结构强度分析软件有着很好的接口功能，基于这一点本文在Hyper mesh软件中创建了排烟装置的有限元模型并划分了网格：其中利用Shell181单元来模拟不同厚度和材质的排烟管结构和管支架结构，利用不同刚度和阻尼的Combine14单元来建立模拟管支架和排烟管弹性联接的部分，用梁单元Beam 188模拟刚性支撑结构，建模后划分得到的有限元模型如图2所示。

图2　排烟装置有限元模型

3　负载的定义及强度校核标准

对于排烟装置，它受到的载荷主要有自重（DW－Dead weight）、内部压力（IPInternal pressure）、热膨胀（TH－Thermal expansion）、管端负载（NL－Nozzle loads），除了这些静态载荷还要考虑地震发生时产生的动态载荷。地震载荷一般分为运行基准地震（OBE －Operation Basic Earthquake）和安全停堆地震（SSE，Safe Shutdown Earthquake）两种；本文在计算中采用工况组合的方法分别计算了正常工况、异常工况、事故工况下排烟装置所受到的应力和位移［5］，具体见表2。

表2　排烟装置所受到的应力和位移

4　地震反应谱及谱分析法的介绍

图3　应急发电机组楼层反应谱

图4　膨胀节

如图3所示，其为应急发电机组所在楼层的反应谱，由于地震的能量一般集中在低频范围内，因此楼层反应谱的范围选取在100Hz以内。在抗震计算中经常使用它对实际的设备进行抗震试验或者仿真计算。反应谱分析法建立在振型分解反应谱理论的基础之上，它是模态分析理论的延伸。通过求解系统的模态振型，同时将地震作用时系统的响应分解为各模态振型分量的叠加，然后通过相关的组合方法：CQC方法（全二次组合）、GRP方法（分组组合）、DSUM方法（双求和方法）、SRSS方法（先求平方和、再求平方根的组合方法）叠加得到各振型结构的地震反应谱响应，从而最终得到总的地震响应值。

5　模态响应计算

为了得到地震工况下排烟管的应变和位移情况，首先对整个排烟管进行模态计算，得到其前6阶的模态振型如图5所示。

图5　排烟装置模态振型图

6　不同工况下的应力位移计算

按照前面小节中给定的各种工况下的已知条件和机组的楼层反应谱计算不同载荷工况组合时排烟装置的受力应变和位移改变，以检验排烟管在各种情况下能否正常工作；另外由于排烟管安装在室内，不受风载的作用，故不需要考虑风载对排烟管的影响。在进行谱分析计算时，对于OBE反应谱值在计算时阻尼比取2%，SSE反应谱值在计算时阻尼比取4%。

6.1 正常工况

正常工况下薄膜应力的最大许用应力为S=115Mpa，薄膜应力加弯曲应力的最大许用应力为172.5Mpa，因此这种工况下排烟装置是安全的。如图6所示。

图6　正常工况下排烟装置的位移、应力

6.2 异常工况

异常工况下薄膜应力的最大许用应力为126.5Mpa，薄膜应力加弯曲应力的最大许用应力为189.5Mpa，因此这种工况下排烟装置是安全的。如图7所示。

图7　正常工况下排烟装置的位移、应力

6.3 事故工况

事故工况下薄膜应力的最大许用应力为172.5Mpa，薄膜应力加弯曲应力的最大许用应力为207Mpa，因此这种工况下排烟装置是安全的。具体如图8所示。

图8　正常工况下排烟装置的位移、应力

7　结束语

综上所述：以上三种工况下排烟装置的应力满足要求，最大位移35.5mm小于膨胀节的补偿余量±45mm，因此排烟装置的设计是合理的、安全的；运用力学简化原则，利用Shell壳体单元、Combine弹性单元、Beam梁单元等在Hyper mesh环境下建立了排烟装置的有限元模型；

在ANSYS环境下运用模态分析理论和谱分析相结合的方法计算出不同工况下排烟装置的受力情况和位移情况，验证设计的合理性和安全性。

［1］刘鸿文， 材料力学（I），北京:高等教育出版社，2004.

［2］赵枚，周海亭，陈光冶，朱蓓丽，机械振动与噪声学，北京:科学出版社，2004，9.

［3］黄增宏，管道应力分析与管道设计手册，长春:东北电力设计院出版发行，2004，5.

［4］王新敏，李义强，许宏伟，ANSYS结构分析单元与应用，北京:人民交通出版社，2011，9.

［5］吕玉恒，王庭佛，噪声与振动控制设备及材料选用手册，北京:机械工业出版社，1999，5.

王戈战（1984-），研究生，工程师。研究方向：船舶与海洋工程管路系统设计。

E-mail: wanggezhan1984@163.com

Design and Simulation Calculation on Exhaust Device of Nuclear Power Emergency Generator under Earthquake Condition

Pengtao Li1， Gezhan Wang2
（1. ShanXi Diesel Heavy Industry Co，.Ltd.，Power Engineering Company， Xian， Shanxi， 710077， China；
2. Chinese Ship Heavy Industry Co，.Ltd.，Tianjin Repairing ship Research Institute， Tianjing， 300456， China）

In this paper， based on 5 & 6 fujian fuqing nuclear power station project， according to the actual site environment design of the emergency generator exhaust device， and in the Hyper mesh environment has carried on the finite element modeling and meshing of smoke exhaust device；Seamless interface at the same time use the Hyper mesh and ANSYS， the modal analysis in ANSYS software and the response spectrum analysis method to calculate the smoke exhaust device in high temperature and under different working conditions， equipment load， earthquake and so on by stress and displacement， test the correctness and rationality of the smoke exhaust device design.

Exhaust Device；Design；Seismic Calculation；Modal Analysis；Spectral Analysis

李鹏涛（1984-），研究生，工程师。研究方向：振动测试与计算。E-mail: hongluobo2006@163.com

TL353

A

2095-8412 （2016） 03-358-05