某研究堆转接筒装置抗震分析与评定

廖佳涛，偶建磊，吴瑞，吴伟



某研究堆转接筒装置抗震分析与评定

廖佳涛，偶建磊，吴瑞，吴伟

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

某研究堆的转接筒装置主要实现乏燃料组件等物项在堆芯和燃料水池间的转运，该装置为抗震I类设备，在设计时需满足抗震要求。利用有限元分析软件ANSYS对转接筒装置进行了建模和模态分析，根据模态分析结果采用反应谱法进行了运行基准地震（OBE）及安全停堆地震（SSE）下的动力特性应力分析计算，并按照RCC-M规定进行了各工况下的载荷组合，最后依据RCC-M中的应力评价准则进行了各工况下的应力评定，结果表明转接筒装置满足抗震设计要求，具有良好的可靠性。

转接筒装置；乏燃料组件转运；反应谱法；抗震分析

某研究堆压力容器斜孔道是乏燃料组件等物项进出反应堆堆芯的通道，转接筒装置的转接筒筒体设置在压力容器斜孔道下方，用于接收从压力容器卸出的乏燃料组件，转接筒的传动机构可带动转接筒筒体在转接筒装置的限位架滑槽内进行一定角度的摆动，筒体摆动到指定位置后，转接筒传动机构可自锁，使筒体喇叭口从堆芯方向摆动至朝向燃料水池侧，最后通过燃料组件吊装工具将转接筒内的乏燃料组件转运至燃料水池中贮存；乏燃料组件从燃料水池转运至堆芯的工艺与其相反。

转接筒装置安装在反应堆压力容器外的堆水池内，而堆水池与燃料水池为连通状态，若转接筒装置在地震等工况下发生结构完整性失效进而导致设备局部和整体的跌落，可能导致堆水池泄露、造成乏燃料水池内的乏燃料组件裸露乃至放射性外泄等严重后果，故转接筒装置在地震工况下的安全性必须得到保证；同时转接筒装置为乏燃料组件的转运设备，故要求其抗震类别为抗震Ⅰ类。

抗震分析目的在于考核转接筒装置在运行基准地震事故、安全停堆地震事故时及事故后仍能保持其结构的完整，并能够执行安全功能。分析中应用线性弹性有限元分析方法计算转接筒装置的振动模态，并根据模态分析结果，使用反应谱法分析在承受地震载荷及设计组合载荷共同作用下的应力，最后根据RCC-M规范做出应力评定和强度校核。

1 转接筒装置结构

转接筒装置为立式框架结构，由传动装置、门型支架、拉杆固定架、拉杆、转接筒、限位架、底部固定架、滑柱及滑柱支架、筋板等构成，如图1所示，其中门型支架、底部固定架、滑柱支架与堆水池池底钢敷面焊接连接，而拉杆固定架、筋板与堆水池池壁钢敷面焊接连接。所用材料均为06Cr18Ni11Ti。

1.传动装置 2.门型支架 3.拉杆 4.拉杆固定架 5.转接筒 6.底部固定架 7.滑柱及滑柱支架8.限位架 9.筋板

2 有限元单元建立

转接筒装置的主体传动结构为连杆机构，当装置处于稳定状态时，转接筒位于限位架最左端或最右端，并处于自锁状态，在有限元单元建立时做出了以下简化：转接筒固定在轴负方向（转接筒筒体朝向压力容器斜孔道一侧）；转运物项放置在转接筒筒体内，转运物项与转接筒筒体固定约束。

门型支架、拉杆、拉杆固定架、转接筒采用BEAM 188单元进行建模；筋板、底部固定架、支撑板及滑柱采用SHELL 181单元进行建模；传动装置及转运物项采用MASS 21单元在其重心处进行建模。使用BEAM 188单元时赋予与实际结构相同的截面及力学参数；使用SHELL 181单元时采用与实际厚度相同的实常数；使用MASS 21质量单元时在重心节点处建立与实际质量相同的质量单元。铰接区域使用ENDRELEASE命令释放ROTX自由度，即绕轴旋转。

装置底部各支架与堆水池池底钢敷面进行焊接，门型支架水平方向伸出的拉杆固定架及筋板与堆水池池壁钢敷面进行焊接，标高分别为-10.3 m、-4.94 m、-3.94 m、-2.94 m、-1.94 m及-0.52 m，焊接处6个自由度全部约束固定。

3 抗震分析

3.1 静力学分析

转接筒装置及转运物项总质量为2755.3 kg，在重力加速度9810 mm/s2的作用下，计算得出转接筒装置的最大变形量为2.73 mm；转接筒装置支架及拉杆（BEAM 188单元）的最大应力强度为18.559 MPa；支撑及筋板（SHELL 181单元）的最大应力强度为11.811 MPa。

3.2 模态分析

转接筒装置模态分析的目的是确定第一阶固有频率是否大于33 Hz，从而确定是利用等效静力方法还是动力分析方法来进行后续计算。使用Block Lanczos法提取模态，提取模态阶数为前2000阶，得出第1阶频率为3.69 Hz、第37阶频率为32.35 Hz、第38阶频率为33.38 Hz，前2000阶、、方向模态参与质量均大于总质量的90%。通过模态分析结果方向的第1阶频率为3.68593、方向的第1阶频率为3.68593、方向（竖直方向）的第1阶频率为3.68593，均小于33 Hz，转接筒装置不能看作刚性结构，不能采用常用的等效静力法解决，而采用反应谱法（多点谱法）进行分析。

3.3 抗震计算

在进行地震响应动态分析时，采用反应谱法进行分析，反应谱法是一种将模态分析的结果与已知的反应谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术，主要用于确定结构对地震等随机载荷或随时间变化载荷的动力响应情况；采用平方和开平方法（SRSS）对模型每个模态的反应值（加速度、位移、力、应力等）进行组合，确定地震载荷下的动态反应值。

（1）SSE作用下应力计算

在SSE作用下，应力分析时取阻尼比为2%。转接筒装置最大应力强度分布如图2所示，支架及拉杆（BEAM 188单元）的最大应力强度为78.652 MPa，支撑及筋板（SHELL 181单元）的最大应力强度为52.402 MPa。

（2）OBE作用下地震计算

在OBE作用下，应力分析时取阻尼比为2%，、、方向的楼层反应谱谱值是SSE谱值的0.5倍，转接筒装置最大应力强度分布如图3所示，支架及拉杆（BEAM 188单元）最大应力强度为39.326 MPa，支撑及筋板（SHELL 181单元）最大应力强度为26.201 MPa。

图2 SSE作用下转接筒装置最大应力强度分布

图3 OBE作用下转接筒装置最大应力强度分布

4 应力评定

4.1 各工况下载荷组合方式与应力限值

根据以上分析结果，参照RCC-M中E3132、E3221篇，转接筒装置在试验工况、正常工况、紧急工况下的载荷组合方式和应力限值如表1所示。为保证得到的最大应力，在对不同载荷叠加前需对各工况下载荷结果求绝对值。

表1 不同准则级别的应力限值

σ为总体薄膜应力，等于由压力或其他给定的机械载荷在所考虑的截面上产生的平均应力；σ为局部薄膜应力；σ为弯曲应力，等于所考虑的截面上的应力与薄膜应力的最大差值，这类应力仅考虑由压力及其他机械载荷产生的应力，并在不连续区域外进行求解；S为材料的疲劳强度值；为材料的基本许用应力值。

依据RCC-M附录Z可知，Z8CNT18-11（国标牌号06Cr18Ni11Ti）不锈钢材料在50℃时，基本许用应力＝129 MPa、疲劳强度S＝198 MPa、基本许用应力强度S＝138 MPa。

在本计算中工字钢及连杆采用BEAM 188单元，该单元不能直接显示最大应力，因此需提取BEAM 188单元表进行运算得出最大应力，其中SMAX＝Maximum Stress (direct Stress＋bending Stress)；SDIR（SMISC 31）为轴向应力，SDIR＝F（式中：F为轴向分力；A为梁单元截面积）；SBYT（SMISC 32）和SBZT（SMISC 34）为M和M对应最大的弯曲应力。为得到最大SMAX，在SDIR和SBYT及SBZT相加前均对其取绝对值；此计算模型根据不同单元来确定其最大应力，最后取所有单元最大应力值作为最大值。BEAM 188单元为线单元，而SHELL 181单元为单层壳单元，无法通过路径映射来求取取薄膜应力，根据RCC-M对薄膜应力的规定等于由压力或其他给定的机械载荷在所考虑的截面上产生的平均应力，且根据ANSYS element library规定对于BEAM 188单元SDIR应力（轴向应力）可看作为薄膜应力σ，SDIR＋SBYT为方向（节点坐标系）节点最大应力（σ＋σ），SDIR＋SBZT为Z方向（节点坐标系）节点最大应力（σ＋σ）。对于SHELL 181单元，根据ANSYS element library中对SHELL 181单元的规定，可通过提取单元表获得SHELL 181单元的各方向的薄膜应力σ及薄膜应力加弯曲应力（σ＋σ）。SHELL181薄膜应力及弯曲应力的提取如表2所示。

表2 SHELL 181单元表提取

4.2 各工况下应力评定

（1）试验工况的应力评定

根据重力作用下的应力分析，经计算转接筒装置BEAM 188单元的最大应力强度为18.559 MPa，SHELL 181单元的最大应力强度为11.811 MPa，均小于材料的基本许用应力强度138 MPa，满足要求；依据RCC-M中的应力评价准则，转接筒装置在试验工况下的应力评定结果如表3所示。

（2）正常工况的应力评定

正常工况下载荷组合为转接筒自重＋转运物项自重＋OBE，在此载荷组合工况下转接筒装置最大应力强度分布如图4所示，BEAM 188单元的最大应力强度为38.376 MPa，SHELL 181单元的最大应力强度为24.383 MPa，均小于材料的基本许用应力强度138 MPa，满足要求；依据RCC-M中应力评价准则，转接筒装置在正常工况下的应力评定结果如表4所示。

（3）紧急工况下的应力评定

紧急工况下载荷组合为转接筒自重+转运物项自重＋SSE，在此载荷工况下转接筒装置最大应力强度分布如图5所示，BEAM 188单元最大应力强度为77.669 MPa，SHELL 181单元最大应力强度为50.584 MPa，均小于材料的基本许用应力强度138 MPa，满足要求；依据RCC-M中的应力评价准则，转接筒装置在紧急工况下应力评定结果如表5所示。

图4 正常工况下转接筒装置最大应力强度分布

图5 紧急工况下转接筒装置最大应力强度分布

表5 在紧急工况下的应力评定结果（单位：MPa）

5 结论

抗震分析结果表明：

（1）转接筒装置在各工况下的最大应力强度小于许用应力强度值；

（2）在各工况下的应力小于RCC-M要求的应力限值。

因此转接筒装置的结构设计满足抗震要求。

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Seismic Analysis and Evaluation of a New Type Research Reactor’S Transfer Cylinder

LIAO Jiatao，OU Jianlei，WU Rui，WU Wei

( NPIC, Chengdu 610041, China )

The transfer cylinder of a research reactor mainly realizes the transportation of the spent fuel and other material between the reactor core and the spent fuel pool. The device is a seismic category I equipment, and it needs to meet the seismic requirements in the design.In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to model and analyze the transfer cylinder. according to the modal analysis results, the dynamic characteristics stress analysis of the operating reference earthquake ( OBE ) and the safety shutdown earthquake ( SSE ) is carried out by using the response spectrum method, and the working condition combination according to RCC-M standard, finally the stress evaluation under different working conditions is carried out according to the stress evaluation criterion in RCC-M, the results show that the transfer cylinder meets the requirements of seismic design and has good reliability.

transfer cylinder device；spent fuel transfer；theresponsespectrum analysis；seismic analysis

TL351+.6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.005

1006－0316 (2018) 03－0018－05

2017－06－26

廖佳涛（1986－），男，四川乐山人，硕士研究生，助理研究员，主要从事反应堆运行与维护专业工作。