人员闸门辅助支撑设计研究

沈勇坚，沈　睿，刘建文，黄　然

人员闸门辅助支撑设计研究

沈勇坚，沈睿，刘建文，黄然

（上海核工程研究设计院股份有限公司，上海，200233）

为改善人员闸门安装部位的受力状态，提高人员闸门安装结构的可靠性，本研究通过设计一种辅助支撑结构，对人员闸门悬臂端提供额外的支撑。辅助支撑设计中考虑了补偿人员闸门安装位置的相对位移，不会对人员闸门产生不必要的外力；并对是否增加辅助支撑人员闸门安装部位的受力状态进行建模分析比对。分析结果表明，在增加了辅助支撑后，可有效改善人员闸门安装部位的受力状态。因此，本文研究的人员闸门辅助支撑结构设计是有效可行的，并且在满足操作性的同时还有效改善了人员闸门安装部位的受力状态。

人员闸门；辅助支撑；设备安装

人员闸门是核电厂安全壳压力边界的组成部分，主要功能是供人员和小型设备在反应堆运行或热停堆时通过[1]。在核电厂反应堆正常运行期间及基准事故工况期间，应能确保安全壳压力边界该部位的完整性和密封性；在严重事故工况时，应能确保安全壳压力边界该部位的密封性。

AP1000核电厂采用内层带椭球形封头的圆柱形钢制安全壳，外层为钢筋混凝土屏蔽构筑物[2]。设置两个人员闸门，分为上部人员闸门和下部人员闸门。

人员闸门本体一端与预埋套筒焊接，预埋套筒通过补强插板与钢制安全壳焊接固定；另一端布置在辅助厂房内，未与楼板接触，如图1所示。

图1　人员闸门安装图

人员闸门采用类似悬臂梁的安装形式经过分析是满足设计需求的。

利用ANSYS有限元软件[3]分别建立人员闸门、插板和部分安全壳作为分析对象。

根据安全壳人员闸门设计要求给出的各种工况下的载荷和载荷组合，对安全壳人员闸门进行应力分析计算[4]，并根据ASME B&PVC Ⅲ NE分卷[5]对应力计算结果评定，结果表明安全壳人员闸门能够满足ASME NE分卷中对各种设计工况使用限制下的要求。

但人员闸门设备整体重量约30 t；在自重工况下，人员闸门悬臂端的垂直位移为-4.2 mm，如图2所示。

图2　自重工况位移分析

人员闸门作为核二级设备，在一般情况下，不会进行人员闸门的更换，主要是对人员闸门进行日常的运行维护；虽然人员闸门类似悬臂梁的安装形式满足使用需求；但出于设计优化性能研究的目的，本文开展了设置辅助支撑的设计研究，将人员闸门安装方式从悬臂梁形式调整为类似简支梁形式，为人员闸门悬臂端提供额外的支撑，改善人员闸门及钢安全壳连接处在各类工况下的受力状况，使人员闸门的安装和固定更为牢靠。

1　辅助支撑设计需求

1.1　相对位移要求

人员闸门一端与钢安全壳固定，一端布置在辅助厂房，但未与辅助厂房固定，位置如图3所示。

图3　人员闸门安装位置图

由于辅助厂房与钢安全壳之间是相对独立的，因此在各类工况下存在相对位移。较大的相对位移出现在竖直方向上，位于人员闸门悬臂端的A点竖向最大位移为22 mm；位于正下方楼面上的B点的竖向最大位移7 mm。如图4所示。

图4　相对位移指示点

辅助支撑应考虑辅助厂房与钢安全壳厂房之间的相对位移，在保持支撑的同时，能有效补偿相对位移，不会产生不必要的外力，对钢安全壳产生负面影响。

1.2　载荷需求

人员闸门悬臂端在地震工况下的反力约为2 ×105N：该反力作为辅助支撑的计算载荷。如图5所示。

图5　悬臂端反力分析

1.3　操作需求

人员闸门安装位置空间有限，为了满足辅助支撑后续的检修维护需求；辅助支撑在结构上应满足在一定空间内的操作要求，同时还需要在后续对易损部件进行维护或更换。

2　辅助支撑设计

2.1　结构设计

根据人员闸门设备重量，辅助支撑安装空间、承受载荷等需求，采用碟形弹簧设计辅助支撑，利用碟形弹簧的变刚度特性和耗能能力[6]，希望在各工况下达到较好的支撑作用。

碟形弹簧的特点[7]：

（1）刚度大、缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷，适合于轴向空间要求小的场合。

（2）可采用对合、叠合的组合方式，使弹簧特性在很大范围内变化。

根据人员重量，安装空间，地震反力，自重位移等，单片弹簧的变形量和载荷量不能满足要求[8]。

采用对合组合设计：即由个相向同规格的一组碟簧组成。

z=z=z=

z、z、z——组合弹簧的载荷、变形量和自由高度。

主要结构设计如下：辅助支撑设置压板组件、底部组件、碟形弹簧；压板组件和底板组件之间夹有六组碟形弹簧，可通过6根螺栓预紧，如图6所示。

根据研究分析，相同压缩量下，使用GB/T 1972计算方法得到的弹簧载荷最大[9]。单片碟形弹簧的计算公式为：

所需碟簧数量为=29/4=7.25，碟簧数量最小为8片。

最终碟簧数量根据安装空间尺寸进行确定，选择每组弹簧数量10片，安装完成后每片碟簧初始压缩量0.5～1 mm。

图6　辅助支撑三维图

2.2　静载分析

根据SOLIDWORKS静力载荷分析，如图7所示，人员闸门设备重量为30 t，一半载荷重量为15 t，考虑安全系数1.25倍，辅助支撑受力为20 t。在受力20吨的情况下，压板组件变形量为0.017 25 mm。

图7　辅助支撑静载受力分析图

2.3　操作性需求

该结构设计的辅助支撑，仅在人员闸门筒体下方对闸门本体进行支撑，不在其余方向对闸门本体进行约束，如图8所示。地震工况时，在前后左右上五个方向上，不影响闸门本体的运动，也不会对钢安全壳造成影响。

使用前，先通过6个螺母，压缩碟形弹簧，将辅助支撑放置在预定位置，松开螺母，确保压板与闸门筒体下部贴合。

通过底板组件的安装螺栓，将辅助支撑固定。

图8　辅助支撑与人员闸门的位置图

Fig8 The location drawing of the auxiliary support and the personnel airlock

3　人员闸门安装部位分析

增加辅助支撑后，人员闸门安装方式从类悬臂梁形式调整为类简支梁形式，如图9所示。

图9　增加辅助支撑后人员闸门安装图

对人员闸门悬臂端增加碟形弹簧结构的辅助支撑，弹簧采用COMBINE14单元建模[10]，支撑板与人员闸门筒体之间的非线性接触采用link10（压有效）模拟，如图10所示。用ANSYS的拉杆单元Link10和弹簧单元Combine14串联，并设置拉杆单元Link10压有效拉无效来模拟辅助支撑处只有压刚度有效的非线性问题，地震分析采用等效静力法分析，考虑三个方向的平动加速度和2个方向的转动加速度，分别对每个方向的加速度作用下人员闸门的应力响应进行计算，然后按照40%，40%和100%的组合方式进行SRSS组合叠加。

图10　辅助支撑在人员闸门有限元模型图

3.1　自重工况

加支撑前后自重工况插板处应力如表1和图11所示。

表1　自重工况加支撑前后插板处应力

3.2　地震工况

人员闸门加支撑前后地震工况下插板处应力计算结果如表2和图12所示。

表2　地震工况加支撑前后插板处应力

图11　增加辅助支撑前插板应力分析图

图12　增加辅助支撑后插板应力分析图

增加辅助支撑后，人员闸门安装部位受力状态在和方向上没有改变，在方向（即垂直方向）上改善明显，自重工况下，薄膜应力和弯曲应力减小了将近48%；地震工况下薄膜应力和弯曲应力减小了将近44%。

4　结论

通过分析，该设计的人员闸门辅助支撑，满足了小空间的使用需求，同时具备检修方便，安装便捷的特点。在增加辅助支撑后，人员闸门安装部位的在地震工况下应力改善明显，有效的起到了改善人员闸门及钢安全壳连接处在各类工况下的受力状况的目的，达到了优化设计的目的。

［1］ 国家能源局. 压水堆核电厂安全壳人员气闸门设计要求：NB/T 20132［S］. 2012.

［2］ 郑明光，杜圣华. 压水堆核电站工程设计. ［M］. 上海：上海科学技术出版社，2013.

［3］ 施勣，徐小刚，杨林民. 双层安全壳人员闸门力学分析［J］. 核动力工程，2015，36（5）：144-147.

［4］ 钱浩，贺寅彪，张明，等. 核电站安全壳人员闸门应力分析——结构改进及规律［J］. 力学季刊，2009，30（4）：638-644.

［5］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section III. Rules For Construction of Nuclear Facility Components［S］. New York，2001.

［6］ 张玉敏，苏幼坡，梁军等. 碟形弹簧竖向减震装置的研究［J］. 哈尔滨工业大学学报，2005，37（12）：1678-1680.

［7］ 成大先主编. 机械设计手册. 第3卷［M］. 5版. 北京：化学工业出版社，2008.

［8］ 沈张煜. 车床尾架中碟形弹簧的应用与分析［J］. 精密制造与自动化，2017，4：50-53.

［9］ 王朝晖，王晓丽. 碟形弹簧弹塑性有限元分析研究［J］. 设计·工艺，2017，4（2）：19-22.

［10］李军芳. 基于FEM的高速精密压力机动态特性分析［J］. 模具技术，2009，2：9-11.

The Design Study of the Auxiliary Support for the Personnel Airlock

SHEN Yongjian，SHEN Rui，LIU Jianwen，HUANG Ran

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.，LTD，Shanghai 200233，China）

In order to improve the stress state and the reliability of the personnel airlock installation part, an auxiliary support was designed to provide additional support under the cantilever end of personnel airlock. In the design of the auxiliary support, the relative displacement of the installation part of the personnel airlock, the auxiliary support didn’t impose additional force on the personnel airlock. The stress analysis for the installation of the personnel airlock was performed by modeling. The result of the analysis showed that the stress state of the installation part of the personnel airlock was effectively improved after the auxiliary support was added. Therefore, the design of the auxiliary support is feasible, it can effectively improve the stress state of the installation part of the personnel airlock when meeting the operational requirements.

Personnel airlock; Auxiliary support; Equipment installation

TL48

A

0258-0918（2023）03-0581-06

2022-06-18

沈勇坚（1980—），男，浙江东阳人，高级工程师，硕士研究生，现从事核电站非标设备设计方面研究