核电厂电气设备陶瓷部件受风生飞射物的冲击破坏

吕杰 吕兴兵 杨光 许剑 周秋萍

摘要：为研究沿海台风中的风生飞射物对核电厂电气设备的冲击破坏，以核电厂户外高压电气设备的陶瓷绝缘材料为研究对象，基于LS-DYNA和HyperMesh，分析陶瓷部件在小球和钢管打击下的破坏情况。结果表明：在受到钢管垂直打击时，陶瓷部件很容易发生破坏;在受到小球冲击时，陶瓷部件局部表面发生破坏。进一步计算得到小球对陶瓷部件的临界破坏冲击速度，可为后续设计和研究提供参考。

关键词：核电厂;陶瓷部件;风生飞射物;LS-DYNA;冲击破坏;数值模拟

中图分类号：TM216.1;TM623.8

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）02-0052-04

0 引 言

核安全一直是各国家和人民关注的问题。在我国沿海地区，台风登陆频繁，伴随台风产生的飞射物对核电厂电气设备的打击严重影响设备的安全性和可用性。陶瓷支柱绝缘子在核电厂户外高压电气设备中起电气绝缘和机械支撑作用，运行中需要满足电气绝缘性能和机械性能两方面的要求。

安全可靠的绝缘子对核电厂户外电源系统安全、稳定运行至关重要。陶瓷绝缘部件是电气设备的薄弱环节，台风卷带的飞射物可能会对陶瓷部件产生破坏性影响，从而造成电气设备整体损坏甚至人身伤害事故，严重影响核电厂甚至电网的安全稳定运行。

本文针对某核电厂的陶瓷绝缘支柱进行冲击分析，在台风卷带的不同形状和不同速度飞射物工况下，模拟陶瓷材料的破坏情况，并研究飞射物冲击破坏的临界速度，为加强户外电气设备中陶瓷部件的防护提供指导建议。

1 工程概况与模型建立

1.1 工程概况

由《核电厂安全重要土建结构龙卷风设计规定》（NB/T 20360—2015）第7节可知，典型风生飞射物包括钢管、汽车和小球3种。根据核电厂管理规定，生产厂区内一般不允许运行维修人员的汽车进入，因此本文只考虑钢管和小球2种典型风生飞射物对核电厂户外电气设备陶瓷部件的影响。根据《中广核各厂址超强台风资料收集及设计风速专题报告》评估某核电厂厂址气象参数，根据《核电厂安全重要土建结构龙卷风设计规定》（NB/T 20360—2015）确定典型风生飞射物尺寸和打击速度。飞射物参数见表1，电气陶瓷绝缘件一般为带有伞裙的圆柱状结构。

1.2 模型建立

采用HyperMesh建模，并选择LS-DYNA作为求解器。陶瓷绝缘子采用六面体网格划分，并在分析的打击点位置进行网格局部细分。分析分为2种工况：（1）小球打击时，实心小球为刚体材料，直接划分为四面网格;（2）钢管打击时，空心圆管采用SHELL单元划分。

飞射物与陶瓷绝缘子的接触方式采用Automatic_Surface_To_Surface。由于飞射物可能对实体陶瓷造成破坏并穿透，接触打击区域采用Segment方式设置。

飞射物打击陶瓷的有限元模型见图1。绝缘子固定端约束所有自由度，直接对飞射物施加初始速度。飞射物打击方向与绝缘子接触面垂直，钢管轴向垂直打击设为最危险工况。

2 陶瓷绝缘子数值模拟

2.1 材料本构模型

LS-DYNA含有300多种本构模型[1]，提供丰富的材料库。本次陶瓷材料采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERMICS（JH-2）材料模型，其主要用于模拟陶瓷、玻璃或其他脆性材料，可考虑屈服后复杂的响应问题。该本构模型的等效应力[2-4]为

2.2 参数确定

JH-2材料模型参数通过MTS拉压实验、Hopkinson杆拉压实验、平板冲击一维应变压缩实验，以及DOP实验确定。JH-2模型通过材料强度、压力和损伤的变化关系描述完整材料和破碎材料在载荷作用下的响应。[5]本次分析中的材料参数均来自于文献[3]，见表2，其中：

ε0为准静态阈应变率;EH为Hugoniot弹性极限;β为弹性能损失转化为流体静力能的比例;D1为塑性应变断裂参数;D2为塑性应变断裂指数。

3 仿真分析结果

3.1 工況1

陶瓷绝缘件受到实体小球打击时，小球撞击陶瓷的瞬时应力云图见图2。陶瓷受小球撞击的瞬时最大等效应力为602.8 MPa，陶瓷表面发生破坏，小球打击点附近部分陶瓷单元的应力变化曲线见图3。小球打击陶瓷后反向回弹，小球在z方向上的速度变化曲线见图4。由此可以看出：小球打击陶瓷后的回弹速度约为20 m/s，该速度还可能对附近设备造成破坏。在受小球打击后，冲击应力波迅速沿陶瓷绝缘件轴向传播，陶瓷绝缘件不同区域的等效应力曲线见图5。

元的等效应力曲线。因为应力波在固定端发生反射，所以固定端附近陶瓷部件的等效应力比较大。

当v=14 m/s和v=13 m/s时，打击区域单元的等效应力曲线分别见图6和7，可见当小球速度降到13 m/s时，陶瓷部件受到的冲击应力大大降低。

为避免小球冲击造成的破坏，必须对电气设备的陶瓷部件进行防护，以降低小球的冲击速度。

3.2 工况2

陶瓷绝缘子受钢管打击时，考虑最恶劣的打击条件，即钢管垂直打击陶瓷部件时，其破坏情况见图8。由于钢管的质量更大且速度更快，因此对陶瓷破坏非常大，陶瓷部件分别在打击点、中间部位以及固定端发生断裂。在2.6 ms时，冲击接触区域产生裂纹;在2.8 ms时，裂纹扩散造成自由端断裂;随着应力波的轴向传播，在陶瓷管柱中间和固定端也产生裂纹;在3.2 ms时，中间和固定端区域也发生断裂。2.6、2.8、3.0和3.2 ms时陶瓷部件的破坏情况分别见图9～12。

4 结 论

借助LS-DYNA对电气设备中的陶瓷部件进行冲击响应分析，模拟在台风恶劣环境下，风生飞射物对陶瓷部件的破坏形态。分析结果表明：在风生飞射物的冲击下，陶瓷设备发生一定的破坏，特别是在钢管的打击下，陶瓷设备发生断裂，严重影响电气设备的正常运行。

由小球打击陶瓷部件分析结果可以看出，在受到小球打击时，陶瓷部件表面发生破坏，小球以接近20 m/s的速度反弹。因此，在对陶瓷部件进行保护时必须考虑小球冲击反弹造成的次生破坏。模拟分析同时得到小球打击造成电气陶瓷绝缘件的临界破坏速度为13 m/s。

根据钢管打击陶瓷部件的分析结果可知：由于钢管质量更大，当垂直打击陶瓷部件时，会严重破坏陶瓷部件;在钢管打击条件下，陶瓷表面容易产生裂纹，裂纹将随着应力波的传播不断扩展，并最终导致陶瓷管柱发生断裂。

参考文献：

[1] 冯晓伟， 李俊承， 常敬臻， 等. 氧化铝陶瓷受冲击压缩破坏的细观机理研究[J]. 兵工学报， 2017， 38（12）：2472-2479. DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2017.12.022.

[2] 任会兰， 树学锋， 李平. 强冲击载荷下氧化铝陶瓷破坏特性的数值模拟及实验研究[J]. 中国科学：G辑 物理学、力学、天文学， 2009， 39（9）：1221-1230. DOI：10.1007/S11433-009-0267-Y.

[3] CRONIN D S， BUI K， KAUFMANN C， et al. Implementation and validation of Johnson-Holmquist ceramic material model in LS-DYNA[C]// Proceedings of 4th European LS-DYNA Users Conference. Ulm：DYNAmore Co.， 2003：47-60.

[4] 馮晓伟. 平板冲击加载下陶瓷材料的破坏力学行为研究[D]. 重庆：重庆大学， 2012：6-7.

[5] 常敬臻， 刘占芳， 李英华， 等. 冲击压缩下A95陶瓷动态力学特性数值模拟[J]. 材料科学与工程学报， 2007， 25（4）：616-619. DOI：10.3969/j.issn.1673-2812.2007.04.031.

（编辑 武晓英）