某工程热室密封门抗震计算分析

李 阳，张 弛

(中国核电工程有限公司 河北分公司，河北 石家庄 050019)

0 引言

核设施中常常需要处理具有放射性或者沾染放射性物质的材料或设备，这项工作必须在具有屏蔽和密封功能的箱室内进行操作。热室是典型的箱室设备，外部设有屏蔽层，内部处理或贮存的物料具有强γ放射性活度或中子辐射[1-3]。

热室密封门作为进出热室的主要通道，是保证热室密封性能的重要组成部分，其密封性能的好坏直接影响整个热室的包容性。对于某些重要的热室，要求其在地震工况下也能满足密封性要求，所以需要热室密封门在地震工况下保持完整性和功能性完好，因此需要对热室密封门进行抗震计算分析。

1 热室密封门的组成

热室密封门主要由门框、门板、锁紧机构和铰链机构等组成，热室密封门的结构见图1。门框由厚钢板拼焊而成，外侧周圈与壳体焊接，内侧与门板上的密封条接触形成密封面。锁紧机构由把手、扇形板、连接板、压板和卡板组成，如图2所示。卡板焊接在门框内侧，其余部件焊接于门板上，锁紧机构四周各对称分布12个锁紧压板，旋转把手带动压板转动，实现门的密封锁紧。

图1 热室密封门结构示意图

图2 锁紧机构结构示意图

2 计算参数与工况

2.1 材料参数

热室密封门主体材料选用06Cr19Ni10，锁紧机构压板材料选用14Cr17Ni2，按照室温20 ℃得到材料的主要力学性能参数，见表1[4]。表1中，许用应力S=min{Su/4，2Sy/3}。

表1 材料的力学性能参数 MPa

2.2 载荷条件

进行力学计算分析所考虑的载荷包括：

(1) 自重：计算设备自重为275 kg，重力加速度为9.81 m/s2。

(2) 压力：计算采用的压力为设计压力-250 Pa。

(3) 地震载荷：地震载荷考虑地震水平-1地震(OBE:Operation-Based Earthquake)和地震水平-2地震(SSE:Safety Shutolown Earthquake)，结构阻尼比取2%，设备的安装高度为+1 m，所受地震载荷根据所处的安装要求确定。

2.3 工况

(1) 设计工况：设计工况下的载荷为热室密封门自重、压力。

(2) 异常工况：异常工况下的载荷为热室密封门自重、压力和OBE。

(3) 事故工况：事故工况下的载荷为热室密封门自重、压力和SSE。

3 评定方法

3.1 承压部件应力评定

根据GB/T 16702规范的C3300对热室密封门承压部件结构应力进行评定，表2列出了准则和相应的应力限值。表2中，σm为总体薄膜应力；σl为局部薄膜应力；σb为一次弯曲应力。

表2 承压部件的应力限值

3.2 板壳型支承件的应力评定

热室密封门压板为密封门主要支撑承载体，板壳型支撑在设计和运行载荷下评定限制取自GB/T 16702规范H3300 S2级板壳型支承件设计准则，其应力限制要求如表3所示。

表3 板壳型支承件的应力限值

4 有限元模型及计算方法

4.1 计算方法

采用有限元方法计算结构在各种载荷下的应力。地震作用的计算采用BLOCK LANCZOS法提取结构模态，用响应谱法计算结构地震响应，用SRSS法对各阶模态组合，用SRSS法组合三向地震作用。

4.2 计算模型

热室密封门门框与热室壳体和钢筋焊接预埋于土建结构中，成为壳体和土建结构的一部分，本文不再对门框和通道钢板的抗震进行重复计算，仅对门板进行抗震计算，计算后提取压板处反力，并对压板进行校核。门板结构模型用来计算结构在地震、自重、负压工况下的应力。压板处施加UZ=0的约束条件，门板铰链座销孔处施加UX=UY=UZ=0的约束条件(UZ为垂直于门方向位移约束，UX为门水平方向位移约束，UY为门竖直方向位移约束)。锁紧机构等非结构构件根据实际位置和质量采用Mass21单元模拟。压板厚5 mm，采用板壳元(Shell181)对模型进行网格划分。

在有限元模型中，热室密封门门板竖向为坐标Y向，门板法向为坐标Z向。利用ANSYS软件构建的门板和锁紧压板有限元模型分别如图3和图4所示。

图3 热室密封门门板有限元模型

图4 锁紧压板有限元模型

4.3 模态分析结果

对整体结构的板壳元模型进行模态分析，计算了30阶频率，前10阶模态的频率列于表4中，设备的第1阶固有频率高于33 Hz，可以采用等效静力法进行计算[5]。采用等效静力法对事故工况进行计算时，取1.5倍的反应谱峰值加速度。

表4 热室密封门门板的前10阶固有频率

4.4 应力计算结果

4.4.1 门板计算结果

对设计工况(正常工况)、异常工况和事故工况下的门板进行计算，得到的3种工况下门板的薄膜应力分布如图5～图7所示，门板薄膜加弯曲应力分布如图8～图10所示。

图5 正常工况下门板薄膜应力云图 图6 异常工况下门板薄膜应力云图 图7 事故工况下门板薄膜应力云图

图8 正常工况下门板 图9 异常工况下门板 图10 事故工况下门板薄膜加弯曲应力云图薄膜加弯曲应力云图薄膜加弯曲应力云图

3种工况下门板的应力结果为：

(1) 设计工况(正常工况)下，门板的最大薄膜应力：σm=3.74 MPa，门板的最大薄膜加弯曲应力：σm(σl)+σb=4.88 MPa。

(2) 异常工况下，门板的最大薄膜应力：σm=10.9 MPa，门板的最大薄膜加弯曲应力：σm(σl)+σb=12.7 MPa。

(3) 事故工况下，门板的最大薄膜应力：σm=19.1 MPa，门板的最大薄膜加弯曲应力：σm(σl)+σb=20.6 MPa。

4.4.2 锁紧压板计算结果

对设计工况(正常工况)、异常工况和事故工况下的锁紧压板进行计算，得到的3种工况下的锁紧压板薄膜应力分布如图11～图13所示，锁紧压板薄膜加弯曲应力分布如图14～图16所示。

图11 正常工况下锁紧压板 图12 异常工况下锁紧压板 图13 事故工况下锁紧压板薄膜应力云图薄膜应力云图薄膜应力云图

图14 正常工况下锁紧压板 图15 异常工况下锁紧压板 图16 事故工况下锁紧压板薄膜加弯曲应力云图薄膜加弯曲应力云图薄膜加弯曲应力云图

3种工况下锁紧压板的应力结果为：

(1) 设计工况(正常工况)下，锁紧压板的最大薄膜应力：σm=2.69 MPa，锁紧压板的最大薄膜加弯曲应力：σm+σb=9.41 MPa。

(2) 异常工况下，锁紧压板的最大薄膜应力：σm=12.3 MPa，锁紧压板的的最大薄膜加弯曲应力：σm+σb=43.2 MPa。

(3) 事故工况下，锁紧压板的最大薄膜应力：σm=22.4 MPa，锁紧压板的最大薄膜加弯曲应力：σm+σb=78.4 MPa。

5 应力评定

根据上文计算结果，进行应力评定，结果见表5。

表5 热室密封门应力评定

表5中压力评定结果表明，最大应力比为0.16，各组件应力均满足规范要求。

6 结语

本文对热室密封门进行了抗震计算和分析，通过计算门板和锁紧压板在设计工况(正常工况)、异常工况和事故工况下的最大薄膜应力和最大薄膜加弯曲应力，结果表明，热室密封门及压板在自重、压力、地震载荷作用下的应力满足规范要求。