核电厂风冷冷水机组框架结构的力学分析与评定

吴祖胜，彭翠玲

（中广核研究院有限公司，广东省 深圳市 518031）

0 引言

中央冷冻水系统(virtual workspace service，VWS)中的风冷螺杆式冷水机组(简称风冷冷水机组)主要功能是为VWS提供冷冻水。风冷冷水机组运行时，除了设备自身产生的载荷外，还会受环境载荷的影响，如风载和地震载荷等。为了保证机组安全稳定运行，需对其在各种工况下的强度进行分析，以确保在各种载荷组合工况下，机组结构均满足相关标准规范的要求。

针对某核电厂风冷冷水机组模块，对其框架结构和锚固件进行应力计算和抗震分析，证明机组模块在各种载荷组合下仍能保持足够的强度和完整性。

1 机组结构介绍

某核电厂风冷冷水机组是由 2个结构相同的单模块机组组合而成，共同安装在整体槽钢基座上。根据文献[1-3]，机组模块由机架、底座、蒸发器、储液器、控制箱、强电箱、冷凝器、压缩机、保温箱、轴流风机及总装配件等设备组成，机组模块安装在厂房的屋顶。

1.1 框架结构参数

本次计算只关注整体槽钢基座以及底座与机架组成的机组框架结构本身的强度，只考虑设备的重量和重心对框架结构分析的影响，设备和面板的刚度均忽略不计，这种简化是偏于保守的。

整体槽钢基座与机组框架主要由不锈钢钢板折弯件和型钢组成，机组框架结构如图1所示。

图1 机组框架结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of unit fram

1.2 框架材料力学特性

机组框架结构材料型号为304，均为线性支撑结构，根据文献[4]，材料的许用应力如表1所示。

表1 304材料属性Tab. 1 Material properties of 304

1.3 框架结构载荷

1.3.1 设备所受载荷

1）自重。

在框架结构力学分析中，相关设备均简化成为质量点。

2）风载。

机组考虑基本风载和台风风载的作用。根据文献[5-6]，风压引起的作用力为：基本风速产生的作用力FJ= 120550 N；台风风速产生的作用力FT= 230274 N。

计算时分别取模型中x、z轴方向为风压作用方向。

3）地震载荷。

机组安装在核电厂辅助厂房屋顶，安装高度为17.678 m，根据文献[7]中对地震载荷的规定，在机组计算中水平地震加速度取值为 0.227g，g=9.8m/s2为重力加速度。

1.3.2 设备载荷组合与适用的准则级别

根据文献[8]中AA-4212以及文献[9]的要求，机组框架适用的载荷组合与准则级别如表2所示。

表2 工况与载荷组合Tab. 2 Working condition and load combination

根据文献[8]中AA-4300的要求，基本最大应力理论的弹性分析适用于线性系统的设计。对于线性支撑系统许用应力如表3所示。

表3 线性支撑许用应力Tab. 3 Linear support allowable stress

在对机组框架结构的校核中，梁受到轴向拉伸与弯曲组合应力。根据文献[10]中NF3322的要求，按照表 4中的评定准则进行应力校核。

表4 梁单元评定准则Tab. 4 Criteria for beam element evaluation

框架结构连接螺栓及地脚螺栓为 8.8级M20的螺栓，根据文献[10]中NF3324.6的要求对螺栓进行校核：螺栓抗拉强度 Su、螺栓屈服强度Sy、螺栓应力截面积A、螺栓所受轴向拉力T、螺栓所受最大剪切力 V、轴向应力 ft=T/A、剪应力fv=V/A。

对于碳钢螺栓，其许用拉应力 Ftb=0.5Su=400 MPa；许用剪应力

2 计算模型介绍

2.1 模型单元

在建立的机组框架的有限元计算模型中，采用 beam188单元模拟机组的框架结构，采用mass21单元模拟各设备的质量和重心位置，质量单元与框架结构之前采用柔性约束方程进行连接，不考虑设备本身刚度的影响。框架结构的模型中忽略加强角的影响。模型简化会使计算结果更趋于保守。

2.2 模型和边界条件

建模型时，在整体槽钢基座与机组框架底座之间建立梁单元模拟连接螺栓。计算模型的边界条件为：整体槽钢基座螺栓所在位置的节点施加x、y、z 这 3个平动方向的自由度约束，整体槽钢基座施加y方向位移约束。机组整体结构的有限元模型如图2所示。

图2 机组的有限元模型Fig. 2 Finite element model of air-cooled unit

3 计算结果

根据 1.3.1节关于风载的描述，将风载引起的作用力均匀施加在框架结构的迎风面，水平地震作用力按照 2个不同方向和自重载荷进行叠加。然后根据文献[8]中关于载荷组合的要求，提取结构在异常工况和事故工况下的轴力和弯矩，并计算出梁对应的拉伸应力和弯曲应力，按照表4进行校核。

通过对计算结果的比较，在各种组合工况下，框架结构立柱和两端横梁受力比较大，更容易遭到破坏，如图3所示的SEC.1、SEC.2、SEC.3处，属于框架结构中较危险部位。

图3 机组部分结构示意图Fig. 3 Parts schematic diagram of unit module

4 结果评定

4.1 框架结构校核

根据文献[8]中对线性支撑的要求，对不同截面形状的梁单元分别进行强度评定。D级准则下根据表 2分别对自重+地震的 D(一)、自重+台风的D(二)这2种载荷组合进行评定。表5仅列出了结构中受力比较大的SEC.1、SEC.2、SEC.3的梁单元在3种载荷组合下的强度评定。

表5 梁SEC.1、SEC.2、SEC.3强度评定Tab. 5 Strength evaluation of the beam SEC.1, SEC.2 and SEC.3

4.2 螺栓校核

取螺栓在各种工况下最大作用力来校核螺栓强度，表6为校核整体槽钢基座与机组框架底座之间连接螺栓强度及校核地脚螺栓强度。

由表6可见，连接螺栓和地脚螺栓强度满足1.3.2节中螺栓校核要求。

表6 螺栓评定Tab. 6 Evaluation of bolt

5 结论

本文通过计算，验证了该风冷冷水机组结构强度和螺栓强度在各种载荷工况下均能满足相关要求。通过对核电厂风冷冷水机组框架结构的力学分析，对机组框架设计提出以下几点建议：

1）机组设备布置时要均匀布置，避免设备重量集中在某一些结构上，尽可能的降低整个机组的重心。

2）从结构抗震设计上，机组框架采用高强度的型钢整体焊接，因此机组具备较好的刚性，建议尽量使机组结构更紧凑。