单层和双层安全壳核岛厂房飞机撞击的振动对比分析

薛　卫，王俊峰，杨燕红，吴　昊

单层和双层安全壳核岛厂房飞机撞击的振动对比分析

薛卫1，王俊峰1，杨燕红2，吴昊2

（1.华龙国际核电技术有限公司，北京 100036；2.同济大学，上海 200092）

目前主流三代核电堆型，如EPR、VVER、“华龙一号”（HPR1000）等多采用双层安全壳设置方式，其中外壳可用来抵抗大型商用飞机的恶意撞击，内壳可起到防止核辐射泄漏的作用。为提升经济性，可将双层壳优化为单层壳，使其既能抵抗飞机撞击又能作为辐射屏障，但其可行性需要进行研究。本文建立了精细化的单层壳和双层壳反应堆厂房有限元模型，并采用飞射物—靶体相互作用方法对三种撞击工况下厂房牛腿、内部结构楼层及设备支撑点处的加速度时程和反应谱进行了对比分析。基于对比结果，从振动响应方面，对商用飞机撞击作用下双层壳优化为单层壳的可行性进行了评估。

大型商用飞机；安全壳；撞击；振动

“9·11”事件后，各国核电监管机构、核电厂设计运营单位均开始考虑核电站抵御商用飞机撞击的能力。美国联邦法规10CFR50.150[1]要求新建核动力反应堆在设计阶段应评估大型商用飞机撞击对核岛设施的影响。美国核能研究院出台的NEI07-13[2]描述了一种可接受的评估大型商用飞机撞击核电厂效应的方法，并提供了安全壳和乏燃料池的混凝土结构局部破坏和整体破坏的评估方法。此外，该文件指出飞机撞击引起的振动可能会导致影响燃料冷却的相关系统及支撑损坏，并通过定义设备冲击破坏分级，对不同的设备给出了相应的加速度易损限值中值。我国的《核动力厂设计安全规定》（HAF102-16）[3]要求如果核动力厂所处的地形条件使其有可能遭受商用飞机的恶意撞击，则设计上应考虑这种撞击的影响。核安全局推荐可参考NEI07-13[2]开展相关的评价工作。

目前对飞机撞击力，飞机机身撞击下安全壳的整体效应和飞机引擎撞击下的局部效应已开展了大量研究[4-9]，但对振动响应的研究开展较少。Petrangeli[10]建立了二维简化的核电站结构，采用撞击力-位移时程法分析了飞机撞击荷载作用下结构的振动问题。Thai等[11]采用飞射物-靶体相互作用法（耦合方法）对飞机撞击下韩国KSNP核电站附属厂房进行了振动响应分析，结果表明此厂房的振动加速度值过大无法保证内部设备安全，达到美国核能管理委员会的核电站停堆要求。Lin等[12]采用非耦合法将B767-400和B747-400飞机的撞击荷载直接加载于安全壳结构，并考虑了厂房基础和土体的相互作用，分析了安全壳筒体撞击位置高度对结构振动响应的影响，结果表明撞击安全壳上部比撞击中部和底部引起的地面振动更剧烈。

已有的核电堆型，如EPR、VVER、“华龙一号”（HPR1000）等多采用双层安全壳设置方式，其中内壳为带钢衬里的预应力钢筋混凝土结构，用于阻止放射性物质向环境释放，外壳为普通钢筋混凝土结构，用于抵抗大型商用飞机恶意撞击。为提升经济性并简化建造施工，可将双层壳优化为单层壳，但优化后壳体抵抗大型商用飞机撞击的性能需要进行评估。

本文建立了布置单层壳和双层壳的反应堆厂房精细化有限元模型，并采用NEI07-13[2]定义的耦合方法对单壳和双壳在三种撞击工况下各主要楼层位置的加速度时程中值和加速度反应谱峰值进行了对比分析。基于对比结果，从振动响应方面，对双层壳优化为单层壳的可行性进行了评估。

1　有限元模型

1.1　安全壳模型

单壳反应堆厂房模型由单层安全壳和内部结构组成，其中安全壳由筒身和穹顶组成，总高约75 m，壳厚为1.5 m，穹顶为半球型，在筒身与穹顶相交处外侧布置外挂水箱，内侧布置环吊牛腿。内部结构底部标高同安全壳筒身底标高，总高约40 m，内部结构与安全壳筒身之间有一定的距离，如图1（a）所示。对于双壳模型，在此基础上增建了外壳，外壳厚度也为1.5 m，但未建水箱，如图1（b）所示。

图1　单壳和双壳布置图

单壳和双壳厂房有限元模型分别如图2和图3所示，其中安全壳筒身、穹顶、外挂水箱、基础和内部结构混凝土均采用SOILD实体单元。考虑到模型较大，且本文不考察安全壳的损伤破坏，因此单元尺寸均取为250 mm左右，单壳和双壳模型采用的实体单元分别为267.7万和390.9万；安全壳筒身和穹顶钢衬里采用SHELL壳单元，单壳和双壳模型采用的单壳元均为17.5万；安全壳筒身、穹顶和外挂水箱普通钢筋采用BEAM梁单元，单壳和双壳模型采用的梁单元分别为200万和321.4万。安全壳筒身和穹顶预应力钢束采用TRUSS杆单元，单壳和双壳模型采用的杆单元均为9.3万。

考虑到安全壳内部设备质量较大，其对飞机撞击下结构振动响应的影响不可忽略，本文将设备质量作为附加质量施加于内部结构上，各质量点通过关键字*ELEMENT MASS实现。

图2　单壳模型

图3　双壳模型

安全壳筒身、穹顶、外挂水箱、内部结构及基础混凝土均采用CSCM模型[13]，CSCM模型是美国联邦公路局针对汽车碰撞作用下高架桥墩防护研究开发的，其实现了硬化压实面（帽盖）和剪切破坏面的连续。屈服函数形式为：

剪切破坏面模拟拉伸段和较低围压段，其压缩子午线方程为：

帽盖硬化面由下式表征：

预应力钢束、普通钢筋、钢衬里均采用Plastic-Kinematic模型[14]，各模型主要材料参数如表1所示。

基于通用有限元软件LS-DYNA[15]，采用上述本构模型及材料参数对文献［16］中试验进行了模拟。试验靶板厚度为60 mm，混凝土强度为37.7 MPa，钢衬厚度为0.8 mm，据此建立的靶板模型如图4所示。

图4　靶板模型

试验飞机和有限元飞机模型如图5所示。

图5　飞机模型

弹体撞击速度为152 m/s，模拟得到的损伤破坏及飞机模型残余速度与试验对比分别如图 6 和图 7 所示。可以看出，模拟结果与试验结果吻合较好，验证了有限元模型的正确性。

图6　损伤破坏

图7　飞机模型残余速度

1.2　飞机模型

飞机模型采用文献［17］建立及验证的大型商用飞机A380模型，重量约400 t，翼宽为87 m，机身长度为69 m如图8所示。

图8　飞机模型

1.3　接触及边界

采用自动面面接触CONTACT_AUT OMATIC_SURFACE_TO_SURFACE命令模拟了飞机与安全壳之间以及内部结构-2.6 m标高楼板和安全壳筒身之间的接触作用。采用耦合接触CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID命令将普通钢筋和预应力钢束嵌入到混凝土模型中。此外，对基础模型底面设置了，，三个方向的平动和转动约束。

1.4　撞击工况

考虑了3种飞机撞击工况下单壳和双壳筒身及内部结构的振动响应，如图9和图10所示。其中工况1为飞机垂直撞击筒身中部32.7 m标高处，撞击点以下位置被周边建筑物遮挡；工况2为飞机垂直撞击40.2 m标高水箱及环吊牛腿处；工况3为飞机与水平方向成10°夹角斜向撞击穹顶60.67 m标高处。

图9　单壳撞击工况

图10　双壳撞击工况

2　振动响应分析

通过对比分析三种撞击工况下，单双壳牛腿处、内部结构一般楼层及设备支撑位置的加速度时程中值、加速度反应谱和加速度反应谱峰值，考察了飞机撞击引起的单壳和双壳振动响应的差异。其中加速度反应谱由MATLAB编制的单自由度求解程序计算得到，该程序能通过给定的加速度时程计算一组阻尼比相同但自振频率各不相同的单自由度体系的反应，并将所引起的各体系最大的加速度反应与相应的自振频率绘制成一条曲线，即为加速度反应谱，本文中阻尼比设定为0.05。

2.1　牛腿处振动响应

环吊牛腿标高处取了四个采样点，分别为与撞击中心投影点成0°、90°、180°、270°，限于篇幅，本文仅给出工况1中单壳和双壳牛腿标高处撞击中心投影点的加速度时程和加速度反应谱，分别如图11和图12所示。由图中可以看出，飞机撞击下，单壳牛腿处的振动响应远大于双壳牛腿处的振动响应。

图11　工况1单双壳牛腿处撞击中心投影点加速度时程

图12　工况1单双壳牛腿处撞击中心投影点加速度反应谱

各工况单、双壳牛腿标高处加速度时程中值和加速度反应谱峰值对比结果如表2、表3所示。可以看出单壳牛腿标高处加速度时程中值均大于双壳，其中工况2对比最为显著，向单壳/双壳加速度时程中值达到了16.12。牛腿标高处加速度反应谱峰值则在工况1和工况3中呈现单壳低于双壳的规律，但在工况2中，单壳牛腿标高处加速度反应谱峰值大于双壳，向单壳/双壳加速度反应谱峰值达到了2.62。总体来说，单双壳牛腿标高处加速度时程中值和加速度反应谱峰值相差较大，需要特别关注飞机撞击作用下单壳牛腿标高处的振动响应，必要时采取一定的减振措施。

表2　单双壳牛腿标高处加速度时程中值

表3　单双壳牛腿标高处加速度反应谱峰值

2.2　内部结构楼层振动响应

对各工况单壳和双壳内部结构-2.6 m、1.2 m、6.5 m、11.6 m、17.5 m标高处，与撞击中心投影点成0°、90°、180°、270°和靠近堆芯中心参考点，限于篇幅，本文仅给出了工况1中单壳和双壳1.2 m标高处撞击中心投影点的加速度时程和加速度反应谱，分别如图13和图14所示。由图可以看出，单双壳内部结构楼层的振动响应基本相当。

图13　工况1单双壳内部结构1.2 m标高处撞击中心投影点加速度时程

图14　工况1单壳内部结构1.2 m标高处撞击中心投影点加速度反应谱

表4和表5给出了各工况-2.6 m、1.2 m、6.5 m、11.6 m、17.5 m标高处单双壳内部楼板加速度时程中值和加速度反应谱峰值。可以看出，单双壳内部结构各层参考点在不同工况下的加速度时程中值对比和加速度反应谱峰值对比无统一规律，其中向单/双加速度时程中值介于0.76～1.41，大于1的有7个，小于1的有8个；向单/双加速度时程中值介于0.78～1.4，大于1的有7个，小于1的有8个；向单/双加速度时程中值介于0.81～1.56，大于1的有6个，小于1的有9个。向单/双加速度反应谱峰值介于0.72～1.46，大于1的有8个，等于1的有1个，小于1的有6个；向单/双加速度反应谱峰值介于0.76～1.89，大于1的有8个，小于1的有7个；向单/双加速度反应谱峰值介于0.75～2.01，大于1的有8个，等于1的有1个，小于1的有6个。总体来说，单双壳内部结构加速度时程中值和加速度反应谱峰值相差不大，可以认为单壳和双壳在飞机撞击作用下内部结构的振动响应基本相当。

表4　单双壳内部结构加速度时程中值

表5　单双壳内部结构加速度反应谱峰值

2.3　设备支撑点振动响应

对各工况单壳和双壳压力容器RPV、稳压器PRZ、蒸汽发生器SG以及主泵支撑点的振动响应进行了分析，限于篇幅，本文仅给出了工况1中单壳和双壳的加速度时程和加速度反应谱，分别如图15和图16所示。由图可以看出，单双壳设备支撑点的振动响应相差不大。

图15　工况1单双壳PRZ支撑点在6.5 m标高加速度时程

图16　工况1单双壳PRZ支撑点在6.5 m标高加速度反应谱

对各工况单双壳设备支撑点的加速度时程中值和加速度反应谱峰值也进行了对比分析，如表6和表7所示。可以看出，向单/双加速度时程中值介于0.88～1.51，大于1的有13个，小于1的有8个；向单/双加速度时程中值介于0.88～1.37，大于1的有9个，小于1的有12个；向单/双加速度时程中值介于0.82～1.52，大于1的有12个，等于1的有1个，小于1的有8个。向单/双加速度反应谱峰值介于0.45～1.6，大于1的有6个，等于1的有3个，小于1的有12个；向单/双加速度反应谱峰值介于0.35～3.26，大于1的有6个，等于1的有1个，小于1的有14个；向单/双加速度反应谱峰值介于0.52～2.09，大于1的有8个，等于1的有1个，小于1的有12个。总体来说，单双壳设备支撑点处的加速度时程中值比值和加速度反应谱峰值比值相差不大，可以认为单双壳在飞机撞击作用下设备支撑点处的振动响应基本相当。

表6　单双壳设备支撑点加速度时程中值

表7　单双壳设备支撑点加速度反应谱峰值

由表3、表5和表7可知，三种工况下单双壳牛腿处、内部结构一般楼层及设备支撑点处的加速度反应谱峰值介于3.8～107.5。在Thai等[11]的研究中，飞机撞击下辅助厂房的加速度反应谱峰值介于42.25～86.69，即本文分析得到的反应谱峰值与Thai等[11]的研究结果属于同一量级，表明本文的振动分析结果是可靠的。

3　结论

通过对比分析单壳和双壳牛腿标高处、内部结构各楼层参考点及设备支撑点的加速度时程中值和加速度反应谱，可以得到以下结论：

（1）单双壳内部结构和设备的加速度时程中值比值和加速度反应谱峰值比值相差不大，可以认为单双壳在飞机撞击作用下内部结构和设备的振动响应基本相当。

（2）布置单壳时，飞机可直接撞击牛腿位置，导致单双壳牛腿处加速度时程中值和加速度反应谱峰值相差较大，工程设计中需要特别关注飞机撞击作用下单壳牛腿处的振动响应，可考虑采取减振或对吊车进行加固等措施。

（3）飞机撞击外壳工况下引起的内壳振动响应与振动传播距离的远近关系不大。

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Vibration Analysis for Nuclear Island with Single and Double Containment Against Aircraft Impact

XUE Wei1，WANG Junfeng1，YANG Yanhong2，WU Hao2

（1.Hualong Pressurized Water Reactor Technology Co.，Ltd，Beijing 100036，China；2. Tongji University，Shanghai 200092，China）

The double containment is adopted in most of the 3rdgeneration nuclear power plant, such as EPR, VVER, and HPR1000, of which the external containment can be used to resist the malicious impact of large commercial aircraft, and the inner containment can prevent the leakage of nuclear radiation. Aiming at better economic performance, the double containment could be optimized to single containment, which could resist aircraft impact and act as a radiation barrier, while the feasibility needs to be evaluated. In this paper, the refined finite element model of reactor building with single containment and double containment are established. By adopting the missile-target interaction analysis method, the acceleration response spectrum and the acceleration time-histories of bracket, inner floor and equipment supporting point are analyzed and compared in three impact scenarios. Based on comparison results, from the aspect of vibration response, the feasibility of double containment optimized to single containment is evaluated.

Large commercial aircraft; Containment; Impact; Vibration

TU318

A

0258-0918（2021）06-1223-11

2020-09-10

薛卫（1971—），河南滑县人，高级工程师，学士，从事核岛结构设计工作