核级过滤器的抗震计算方法研究

陈一伟，张正春，张强升，石 红，沈 伟，王 岩,*

（1.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2.上海艾维科阀门股份有限公司，上海 201799）

安全停堆地震（SSE）是核电厂设计中采用的最高地震运动水平，是核级设备设计过程的极限安全要求之一。核级设备承受类似于极限停堆地震的地震反应时，应保证结构的完整性、反应堆的安全停止运行以及能够保持安全状态［1］。核级过滤器是安装在ASG、SEG等系统的管道上，为反应堆系统提供合格水的设备。根据ASME和RCCM的相关要求，关键部位的过滤器设备必须按照核电相关标准和法规通过鉴定后才可投入核电站运行。本文采用大型通用有限元软件ANSYS Workbench14.5［2］，对某核电厂过滤器进行模态分析，然后提出了过滤器组合载荷的施加方式，并对组合载荷共同作用下的应力和变形进行计算，最后根据RCC-M的有关规定进行分析评定。本文的分析可以为核级过滤器设备抗震安全风险评估提供理论依据，并为后续核电设备的抗震分析工作提供技术支撑。

1 计算模型

本文以某核电站过滤器设备为研究对象，过滤器的核安全等级为非核安全级，抗震要求为Ⅰ类。过滤器的公称通径为DN150mm，设计压力最大为12 bar（1.2 MPa），设计温度为5～60℃。过滤器主要由阀体、过滤网、密封垫、阀盖、闷头等零部件组成，三维模型如图1所示。

图1 三维模型图Fig.1 3D model diagram

阀体、阀盖的材料均为CF3，滤网材料为304L，密封头为06Cr19Ni10，设备工作温度不超过60℃。主体材料的参数见表1。

表1 主体零部件所用材料及材料特性表Table 1 Material and material characteristics of main parts

2 载荷条件

和在条件为：

（1）自重：竖直方向的重力加速度，按9.81 m/s2进行计算［3］；

（2）压力（P）：过滤器的设计压力为12 bar（1.2 MPa）；

（3）地震载荷：本计算所用的地震载荷为6g；

（4）载荷组合：根据RCC-M，载荷组合见表2。

表2 载荷组合Table 2 Load combination

3 模态分析结果

过滤器的计算载荷包括自重、内压、接管载荷、地震加速度。本分析采用四面体及六面体单元对整体结构进行离散，共生成474 156个节点，231 449个单元，过滤器模态分析有限元模型如图2所示。有限元模型中，阀体、阀盖、过滤网、闷头等均采用实体单元建模，过滤器中的水用同等的质量附加在阀体［4］、阀盖及过滤网上，附加水质量之后模型密度为10 530 kg/m3。由于过滤网并不是承压边界结构，所以，本次分析模型去掉过了滤网上的开孔结构［5］。

各部件的接触面约束中，因为过滤器并没有可动部件，所以阀盖与阀体、阀体与闷头、过滤网与阀体等部件之间均采用绑定约束。

图2 有限元模型图Fig.2 Finite element model

因为该过滤器为非对称结构，所以，模态分析中采用固定出口的方式，在固定面处设置固定约束，限制其所有的自由度，入口端设为自由端［6］。

通过对过滤器进行模态分析可知：固定出口时固有频率为42.93 Hz。本文仅给出过滤器前6阶固有频率，见表3。从表3可以看出，过滤器的固有频率大于33 Hz。过滤器前6阶振型图如图3所示。

表3 过滤器前6阶固有频率表Table 3 First 6 natural frequency table

图3 过滤器前6阶振型图Fig.3 First 6 vibration modes

4 应力分析

本文采用等效静力法对过滤器进行抗震分析。3个正交轴方向同时施加6gSSE地震载荷；接管载荷按最不利方向施加；在出口端设置固定约束，释放进口端的全部自由度并在该进口端施加接管载荷；设计压力保守地按照RCC-M压力试验的压力施加，即施加1.5倍设计压力在过滤器的流体腔。载荷及边界条件施加如图4所示。

图4 过滤器边界条件施加图Fig.4 Application of filter boundary conditions

在事故工况下，过滤器受到内压、重力、接管载荷及SSE地震载荷的作用。本文对过滤器受到的载荷组合进行结构分析，并采用上述准则验收。图5、图6为事故工况下过滤器及零部件结构分析的最大应力分布云图。

图5 阀体及阀盖最大应力云图Fig.5 Cloud chart of maximum stress of valve body and bonnet

图6 其余部件最大应力云图Fig.6 Cloud chart of maximum stress of other parts

根据过滤器的结构和工作特性，对阀体和滤芯等部件危险区域设定的重点关注路径进行校核，表4为过滤器上各路径的应力评定结果，各应力值是所有载荷组合情况下的计算结果。从表4可以看出，各路径上的应力都能满足许用值要求。

表4 过滤器各路径应力评定结果表Table 4 Stress assessment results of each path of filter单位：MPa

5 结论

本文利用ANSYSWorkbench14.5程序，采用静力分析法对某型核级过滤器进行了抗震分析，并根据RCC-M对计算结果进行评定。分析结果表明：在SSE地震、重力及内压组合载荷下，过滤器设备固有频率不低于33 Hz，应力满足规范要求。本文采用静力分析法对SSE工况过滤器器进行了应力分析，全面综合地评定了核级过滤器的抗震性能，建立起一套核电厂过滤器抗震分析与评估方法，为核电厂的抗震鉴定实践活动提供参考依据。