核电厂SBO柴油发电机组抗震分析

尤国英， 叶昌铮， 刘银芳

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所无锡分部， 江苏无锡 214151)

为保障核电厂运行的安全可靠性，有关核安全的法规、导则和有关抗震设计、鉴定的标准相继发布，如RCC-M规范[1]、ASME-Ⅲ规范[2]。抗震设计、鉴定的目的是保证设备在发生安全停堆地震时能够维持其结构完整性和可运行性，并执行其安全功能[3]。

设备的抗震鉴定方法有试验法、分析法、经验法，以及将以上方法结合的方法[4]。电气设备大多采用试验法鉴定，也可采用分析法鉴定。抗震分析通常采用反应谱法，但对于第1阶固有频率高于33 Hz的刚性结构，可采用等效静力法，其计算结果偏于保守[5-6]。分析法有其特殊的优越性，通过计算可得到结构的振动模态和任意位置的地震响应，再反过来指导设备的抗震结构设计。

核电厂SBO(全厂断电事故工况)柴油发电机组作为备用电源的主要设备之一，其主要功能是在场外电源、主发电机和应急柴油发电机组供电均丢失的情况下，向设计负载供电，保障安全级系统和部件的电力供应，从而确保反应堆的亚临界度和冷却，或限制反应堆污染的放射性。SBO柴油发电机组属于安全重要非安全级(F-SC3级)设备，抗震类别为Ⅰ类，必须经过抗震鉴定。

采用有限元法建立了某核电厂SBO柴油发电机组抗震分析的3个力学模型(机组撬体模型、柴油机模型、发电机模型)，采用反应谱法对机组撬体模型进行抗震分析，采用等效静力法对柴油机模型、发电机模型进行抗震分析，地震载荷等效为惯性力，其加速度值取自于机组撬体模型的计算结果。

1 设备概况

该SBO柴油发电机组的额定功率为3 100 kW，额定电压为10 kV，额定转速为1 000 r/min，设计寿命为60 a，柴油机型号为16V280ZLD，发电机型号为ZFC7 505-65E。柴油机、发电机及辅助设备集成在公共底架上，组成一个撬体结构，具体见图1。公共底架底部设有隔振器，通过地脚螺栓与基础固定。

图1 柴油发电机组撬体结构

2 计算方法

采用SolidWorks三维设计软件[7]建立机组撬体和发电机的几何模型，将几何模型导入ANSYS Workbench有限元分析软件[8]，进行网格划分、参数设置、加载并求解，最后进行结果处理。采用PATRAN前后处理软件[9]建立柴油机的几何模型，并进行网格划分、加载及参数设置，再调用NASTRAN有限元分析软件[10]进行求解，最后将计算结果导入PATRAN软件进行后处理。

抗震分析主要包括：

(1) 结构模态分析。计算结构的固有频率和振型。

(2) 地震响应分析。对于机组撬体模型，采用反应谱法进行地震响应分析，并采用平方和开平方(SRSS)法进行组合；对于柴油机、发电机模型，采用等效静力法进行地震响应分析，将地震载荷作为惯性力作用于质心。

(3) 应力评定和位移评定。将地震载荷与其他载荷(如自重载荷、接管推力载荷、运行载荷等)的响应进行叠加，依据规范要求按不同载荷准则进行应力评定和位移评定。

3 力学模型

3.1 有限元网格模型

3.1.1 机组撬体

机组撬体由公共底架、隔振器，以及安装在底架上的主设备(柴油机、发电机)和辅助设备(如滑油冷却器、滑油精滤器、强制循环式水预热器、电动盘车装置、空气启动电动机等)组成。将设备简化为质量块，底架下的隔振器用弹簧阻尼单元模拟。采用SOLID185实体单元划分网格，有限元网格模型见图2，弹簧一端接地，作为固定约束。地震载荷通过弹簧传递到结构上。

图2 机组撬体有限元网格模型

3.1.2 发电机

发电机由机座、支架、隔板、端盖、转轴、轴承座、风扇、转子绕组、定子绕组等部件组成。采用SOLID185实体单元和SHELL181板壳单元划分网格。发电机有限元网格模型见图3，机座底板安装螺栓孔处作为固定边界约束。

图3 发电机有限元网格模型

3.1.3 柴油机

柴油机由机体、支座、油底壳、曲轴、活塞、连杆、缸套、轴承座、进排气管、中冷器、涡轮增压器、弹性联轴器等部件组成，一些次要部件简化为集中质量。大部分部件为板壳结构，采用板壳单元(SHELL)划分网格，曲轴、连杆等线型结构采用梁单元(BEAM)模拟，连接螺栓采用刚性单元(RBE2)模拟。柴油机有限元网格模型见图4，支座底板安装螺栓孔处作为固定边界约束。

图4 柴油机有限元网格模型

3.2 材料参数

表1为设备主要部件的材料性能参数。设备或部件采用高强度螺栓进行连接固定，表2为设备主要承载螺栓的性能参数。

表1 材料的性能参数

表2 螺栓的性能参数

3.3 载荷条件

机组受到的载荷包括结构自重载荷DW、柴油机运行载荷(如柴油机驱动扭矩载荷TN、部件内压载荷P、温度载荷T、外部接管载荷NL)、发电机发生两相短路故障时的电磁力矩载荷EMT2、安全停堆地震载荷SSE。机组撬体模型输入的地震载荷，采用了机组所处楼层反应谱的包络谱(见表3)。

表3 楼层反应谱包络谱

依据RCC-M规范，按A级和C级载荷准则进行应力和位移评定，分别对应于正常工况和事故工况。正常工况和事故工况的载荷组合见表4。

表4 正常工况和事故工况的载荷组合

4 应力和位移限值

4.1 板壳型结构的应力限值

根据RCC-M规范，对于板壳型结构，应力限值见表5，其中：Pm为一次总体薄膜应力；Pb为一次弯曲应力；Pe为二次膨胀应力；S为材料基本许用应力，S取2Sy/3和Su/4中的较小值(Sy为屈服强度、Su为抗拉强度)。对于实体单元，通过应力线性化方法提取薄膜应力和弯曲应力，可参照板壳型结构进行应力评定。

表5 板壳型结构的应力限值

4.2 线型结构的应力限值

根据RCC-M规范，对于曲轴、连杆等线型结构，应力限值见表6，其中：fa、fb分别为梁截面拉压应力和弯曲应力；Fa、Fb分别为材料拉压和弯曲许用应力。

表6 线型结构的应力限值

4.3 螺栓的应力限值

根据RCC-M 规范，螺栓的应力限值见表7，其中：ft为拉应力；fv为剪应力；Ftb为许用拉应力；Fvb为许用剪应力。

表7 螺栓的应力限值

4.4 位移限值

为保证发电机的运行可靠性，必须对发电机转轴的变形进行限制，以避免转动部件与静止部件因结构变形而发生摩擦。设备厂家提供的发电机可运行性要求为：转子与定子之间的最大相对位移应不大于初始气隙(7.7 mm)的十分之一。

5 结果与评定

5.1 固有频率

3个结构的前10阶固有频率见表8。机组撬体的前6阶振型为隔振器变形产生的整体振动，第7阶振型为整体垂直振动(公共底架发生弯曲变形)；发电机的第1阶至第5阶振型为转轴或机座拉筋弯曲振动(局部模态)，第6阶振型为整体轴向振动；柴油机的第1阶振型为弹性联轴器轴向振动(局部模态)，第2阶振型为整体横向振动。

表8 各结构的固有频率

结构的第1阶、第7阶模态振型分别见图5和图6。

图5 结构的第1阶模态振型

图6 结构的第7阶模态振型

5.2 响应加速度

表9为机组各设备的最大响应加速度。在对公共底架上的设备进行抗震分析时，该响应加速度可以作为地震载荷的输入参数。

表9 最大响应加速度

5.3 应力评定

结构应力按最大主应力进行评定。正常工况下，公共底架、发电机、柴油机的结构应力不大，均小于应力限值，故不进行详细介绍。事故工况下，公共底架最大主应力为80.5 MPa，小于应力限值(93.5 MPa)，强度满足要求。事故工况下，发电机最大主应力为186.8 MPa，位于转轴上后轴承支撑处，经应力线性化后，最大薄膜应力为30.5 MPa，小于应力限值(112.2 MPa)，最大薄膜应力+弯曲应力为153.8 MPa，小于应力限值(168.3 MPa)，强度满足要求。事故工况下，柴油机相关部件的应力评定结果见表10、表11，各部件强度均满足要求。

表10 柴油机部件应力评定

表11 柴油机线型结构部件应力评定

螺栓受力通过提取约束反力得到，并考虑螺栓预紧力，然后计算螺栓的拉应力和剪应力。事故工况下，发电机、柴油机、隔振器的安装螺栓的应力评定结果见表12，各螺栓强度满足要求。

表12 螺栓应力评定

5.4 位移评定

为验证机组的可运行性，需要对发电机转轴的变形进行校核。考虑最严格的载荷条件，即地震事故与发电机短路故障同时发生。此时，发电机定子与转子间的最大相对位移为0.737 mm，小于许用值(0.77 mm)，满足可运行性要求，发电机能够维持正常运行。

6 结语

应用有限元法对某核电厂SBO柴油发电机组进行抗震分析，依据RCC-M规范的要求对机组的主要部件(发电机、柴油机、公共底架)及主要承载螺栓进行应力评定，并对发电机轴的变形进行校核。在正常工况和事故工况下，机组各部件和螺栓的应力小于许用值，发电机定子、转子之间的最大相对位移小于许用值。因此，柴油发电机组在正常工况和事故工况下能够保持结构完整性和可运行性，结构设计满足规范要求。所提出的分析方法对核电厂设备的抗震结构设计和抗震安全评估有一定的参考价值。