核电站堆坑气密性主风管抗震有限元分析

核电站堆坑气密性主风管抗震有限元分析

洪瑛，经树栋

华东理工大学 机械工程学院，上海 200237

摘 要

本分析以楼面反应谱作为地震作用的输入，应用MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN软件，对秦山二期60万千瓦核电站的反应堆堆坑通风系统气密性主风管的壳体、底部法兰及地脚螺栓的强度进行详细的有限元计算。在地震工况下假设了几种不同的支撑组合，对不同组合时主风管强度计算的结果进行比较分析，提出了主风管抗震结构中的薄弱环节，以及加强措施。

关键词： 有限元分析 楼面反应谱 抗震 核电站 主风管

ABSTRCT

Using the response spectrum of floor as the input of earthquake motion and MSC/PATRAN、NASTRAN software, the paper gives a detailed finite element analysis for shell、bottom flange and anchor bolts of the main ventilating pipe of Qinshan nuclear power plant reactor tunnel. Assuming different supports, we compare different results of strength calculation, find out the weak location of seismic resistant structure and make an improvement.

Key words: response spectrum of floor, finite element analysis, seismic resistant, nuclear power plant, main ventilating pipe

秦山二期60万千瓦核电站反应堆堆坑通风系统（EVC）的功能是在核电站正常运行和热停堆期间进行反应堆堆坑的通风和冷却，属于非安全有关系统。但是，在反应堆冷却剂管道破裂的情况下，其风管垂直向下部分具有将反应堆冷却剂排出反应堆堆坑的功能，参与冷却剂排放。由于在反应堆运行过程中，有放射性元素进入冷却剂，因此为确保冷却剂系统安全对主风管进行安全设计是极为必要的。本文将根据核工业第二研究设计院提出的技术要求，对核电站堆坑通风管道进行抗震分析和研究。

核电站反应堆堆坑通风系统（EVC）气密性主风管的抗震分析采用有限元分析的方法，以反应谱作为地震作用的输入进行三维动态分析。由于主风管结构较为简单，风管上没有附加设备，在地震分析中无需考虑其它设备对其的影响，因此通过使用反应谱就能得出较为精确的分析结果，并且由于从时间范畴转移到频率范畴，提高了计算效率。 1 设计条件

1．1 设计分级 EVC系统气密性主风管按设计和制造要求的设备分级如下:

*安全等级 3级 *规范等级 RCC-M3级（《压水堆核岛机械设备设计和建造规则（RCC-M）》）*抗震分类为 1I *质保等级 Q2 *洁净等级 B

1．2 安装位置 EVC系统垂直主风管与堆坑的接口处位于反应堆厂房±0.00米标高至风管顶部+9.70

米标高(主风管与EVC系统其它部分相接处中心标高为9.10米)。

主风管安装结构示意图，见图一。

图一 主风管安装结构示意图 1．3 环境条件 安装后与运行前

温度极限： －1～40℃ 在役环境条件

正常工作温度：5～45℃ 异常短期运行工况时的温度： 45～55℃

1．4 载荷要求 运行时，设备承受各种载荷工况，在这些工况期间或以后，设备能否保持它的运行能力，可操作性及结构的完整性，需要考虑如下载荷的组合：内力、外力、地震力、内部超压引起的载荷（在堆坑充水淹没或压力增加时）。 1．4．1作用力大小

计算压力：4KPa ( 按“超压防爆装置研制技术书”取最大运行压力) 外力： 与EVC系统相连接处因送风对主管产生的外部载荷为： 轴向力： 500 N 剪力： 1000 N 内部超压引起的载荷：考虑以下两重情况： （1）蒸汽压力（情况1）

内部压力： 150KPa (绝对) 温度： 110℃ （2）管道充满水时的大气压力（情况2）

内部压力： 水高8.7米 温度： 100℃ 地震力:本文以楼面反应谱作为地震作用的输入。 1．4．2．许用应力值

1.4.2.1 材料许用应力的确定: 按RCC-M ZⅢ 300 确定所用材料的许用应力值。 （1）主风管用材料20HR许用应力SH的确定见表1-1。

表1-1 材 料 20HR 常温 σs *2/3 170 常温 σb *1/4 102.5 工作温度 σs *2/3 146 工作温度 σb *1/4 102.5 b

许用应力值 SH MPa 102.5 ＝410MPa

注：20HR常温下σs＝255MPa；工作温度(最高为110℃)σs＝219MPa；σ下的轴向、剪切许用应力。见表1-2

（2）地脚螺栓用材料42CrMoA的许用应力的确定：轴向应力许用值、剪切应力许用值分别取工作温度

表1-2 材 料 42CrMoA 轴向许用应力 Ftb = σb*0.5 MPa 430 b

剪切许用应力 Fvb = σb*5/24 MPa 179 注：42CrMoA工作温度σ＝860MPa

表1-3

（3）底部法兰许用应力SF的确定见表1-3。

材 料 20HR σb /5 MPa 82 σs /4 MPa 63.75 b

许用应力值SF MPa 63.75 注：20HR常温下σs＝255MPa；σ

工 况 ＝410MPa

外 力 支承反力 NNL 支承反力 NNL 支承反力 NNL 支承反力 NNL 地 震 0 超 压 适用准则 0 0 0 A级 1.4.2.2 工况组合及每种工况的应力极限 内 力 计算压力 正常工况 空管重量 正常工况温度 计算压力 紧急工况 空管重量 (正常+1/2 SSE地震作用) 正常工况温度 计算压力 事故工况 空管重量 (正常+SSE地震作用) 正常工况温度 蒸汽压力 事故工况 事故工况温度 ( 情况1: 蒸汽压力) 热膨胀引起载荷 空管重量 管道充满水静载 事故工况 事故工况温度 ( 情况2: 管道充满水) 热膨胀引起载荷 空管重量 注：NNL ----- 正常载荷

A、B、D级准则按RCC－M D篇

2 建立计算模型和边界条件处理 主风管为薄壁弯管结构,在其7.4米以及弯管下部设有支撑,与混凝土地基之间用螺栓连接。根据主风管的结构特点，建立模型时采用8结点板壳单元和梁单元组合，7.4米处的两支撑简化为工字形梁单元和圆柱形梁单元，下支撑简化为槽钢梁单元，地脚螺栓简化为圆柱形梁单元。

地脚螺栓的下端埋入地基，因此对其进行边界条件处理时，在六个方向上都加以约束，即取固支；7.4米处支撑工字梁的一端，由于是固定在楼板上的，因此也取固支；下支撑主要是起到支架的作用，

1/2SSE B级 SSE D级 0 是 D级 0 0 是 D级 因此只在Y方向上加以约束。

对于外力的施加，轴向力设置在主风管的上端，方向朝下；剪力设置在9.1米处的平面上，沿X轴反方向。

坐标轴方向：X、Z为水平方向，Y为垂直方向。

3 地震作用的施加与楼面反应谱 在对主风管进行抗震分析时，地震作用施加在与基础相连部分，即地脚螺栓下端，支撑与地基和墙面连接端，实施的具体方法就是在这些位置加上相应的楼面反应谱。 本分析采用的楼面反应谱由核二院提供，用于秦山核电二期工程核岛部分RS厂房。为该厂房所在楼层的设备，管道和系统抗震设计提供基本数据。

该谱的计算结构模型为梁单元集中质量模型，模型置于XYZ三维空间坐标中。水平方向为X、Y方向，竖向为Z方向。计算中考虑了50个设备自振频率，5个阻尼比：2%，4%，5%，7%，10%。计算输入的地面运动是根据《秦山核电二期工程厂址有关设计参数》所指定的人工拟合地面加速度时程。作谱的地面最大加速度：水平和竖向均为0.1g。

抗震分析计算采用多谱和XYZ方向组合分析。计算所需的2.9m、7.4m和9.1m等处 的反应谱，根据核二院提供的0.0m和11.5m处的反应谱，采用线性插值的方法求得。

4 计算内容 按下面四种工况进行计算：⑴ 正常工况；⑵ SSE地震工况；⑶ 事故工况（情况1）；

⑷ 事故工况（情况2）。各种工况计算参数见表4-1。

表4-1

计算工况 正常工况 SSE地震工况 计算参数 压力： 4Kpa 温度： 20℃ 材料： 20HR 壁厚： 10mm 轴向力： 500N 剪力： 1000N 压力： 4KPa 温度： 20℃ 材料： 20HR 壁厚： 10mm 轴向力： 500N 剪力： 1000N 地震作用：楼面反应谱 压力： 150KPa 温度： 110℃ 材料： 20HR 壁厚： 10mm 轴向力： 500N 剪力： 1000N 压力：水高8.7米 温度： 100℃ 材料： 20HR 壁厚： 10mm 轴向力： 500N 剪力： 1000N 许用极限 1.0SH*υ=102.5 2.4SH*υ=246 2.4SH*υ=246 2.4SH*υ=246 2.4SH*υ=246 结论 合格 合格 合格 合格 合格 事故工况 （情况 1 ） 事故工况 （情况 2 ） 工 况 正常工况 5 主风管壳体强度计算结果及评定

最大应力 所在部位 准则级别 54 下端直管与弯管连接处 A 95.6 矩形通风管与主风管连D 接处 事故工况 79.9 主风管与底部法兰支撑D (SSE工况) 筋板的连接处 事故工况 211 主风管与底部法兰支撑D (情况 1) 筋板的连接处 事故工况 228 主风管与底部法兰支撑D (情况 2) 筋板的连接处 注：υ为焊缝系数，取1。 6 地脚螺栓强度计算结果及评定

6．1地脚螺栓最大主应力计算结果及评定

由于地脚螺栓在计算模型中以等直径的梁单元来取代，因此，在各种工况下这些单元上的计算得到的应力即为所求地脚螺栓的应力。地脚螺栓的单元号为：3941，3942，3943，3944，3945，3946，3947，3948，3949，3950，3951。地脚螺栓单元在各种工况下的轴向应力和弯曲应力汇总于表6-1。

表6-1 单元号 3941 3942 3943 3944 3945 3946 3947 3948 3949 3950 3951 应力 σσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσσ b y b y b y b y b y b y b y b y b y b y b y正常工况 Mpa 15.2 44.4 15.6 44.3 15.2 42.4 8.14 35.0 3.78 25.9 11.3 55.4 21.5 93.0 10.1 28.0 0.2 14.6 4.88 35.0 18.7 68.9 SSE 工况 MPa 15.3 40.6 11.5 27.7 13.1 32.3 17.2 46.7 18.3 59.9 21.4 81.7 17.9 73.2 15.2 38.7 16.5 49.9 18.4 60.8 14.1 49.9 事故工况 (情况1) MPa 27.9 179 48.5 216 49.3 222 15.5 178 20.4 66.6 7.9 108 18.7 202 15.3 53.8 50.6 5.9 20.9 76.3 19.2 161 事故工况 (情况2) MPa 19.8 184 32.6 203 23.4 186 22.6 106 59.9 3.1 36.8 61.6 4.24 186 27.3 53.4 79.1 40.9 50.7 36.2 4.62 141 注：σy - 轴向拉伸应力；σb - 弯曲应力（取绝对值）。 评定结果见表6-2。

表6-2 单元号 3941 3942 3943 3944 3945 3946 3947 3948 3949 3950 3951 最大拉伸应力 MPa 27.9 48.5 49.3 22.6 59.5 36.8 21.5 27.3 79.1 50.7 19.2 最大弯曲应力 MPa 184 216 222 178 66.6 108 202 53.8 49.9 76.3 161 许用应力值 Ftb MPa 430 430 430 430 430 430 430 430 430 430 430 最大应力与许 用应力值之比 0.43 0.50 0.52 0.41 0.15 0.25 0.47 0.13 0.18 0.18 0.37 结论 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 6．2最大剪应力计算结果及评定 地脚螺栓单元在下列工况下的最大剪应力汇总于表6-3。

表6-3

单元号 3941 3942 3943 3944 3945 3946 3947 3948 3949 3950 3951 注：τ

max

应力 τττττττττττ max max max max max max max max max max max正常工况 MPa 13.8 53.8 63.9 22.8 59.1 44.1 27.7 63.6 21.7 31.0 32.9 SSE 工况 MPa 25.3 38.4 56.0 29.5 41.7 60.3 44.1 72.6 56.7 29.9 27.4 － 最大剪应力

评定结果见表6-4。

表6-4

最大剪应力 单元号 τmax MPa 3941 25.3 3942 53.8 3943 63.9 3944 29.5 3945 59.1 3946 60.3 3947 44.1 3948 72.6 3949 56.7 3950 3951 31.0 32.9 许用应力值 Fvb MPa 179 179 179 179 179 179 179 179 179 179 179 最大应力与许用应力值之比 0.14 0.30 0.36 0.16 0.33 0.34 0.25 0.41 0.32 0.17 0.18 结论 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 6．3 对预紧力下的地脚螺栓的横向剪切应力的评估

为防止管道发生大的横向移动，引起管道密封的失效，地脚螺栓必须有足够的预紧力，按RCC-M规范建议取0.75σy ,地脚螺栓材料在事故工况下的σy，见表6-5。

表6-5

材料 42CrMoA 剪应力τ

常温下σy MPa 720 110℃ σy MPa 672 0.75σy MPa 0.75?672=504 底部法兰在事故工况下会产生横向移动，此时法兰材料的摩擦系数f为0.3，事故工况下的最大

max

只要小于0.75σy *f，就能保证底部法兰在事故工况下的管道密封。

对预紧力下的地脚螺栓的横向剪切应力的评估结果见表 6-6。

表6-6 事故工况下最大剪切应力τmax MPa 136.2 许用剪切应力极限 0.75σy *f MPa 151.2 最大应力与 许用极限之比 0.901 结 论 合格 7. 底部法兰计算结果评定见表7-1

表7-1 工 况 正常工况 底部法兰上的应力 MPa 43.7 准则级别 A D D D 许用极限 1.0SF 2.4SF 2.4SF 2.4SF 最大应力与 许用极限比 0.426 0.502 0.858 0.927 结 论 合格 合格 合格 合格 事故工况 123.6 事故工况 211 ( 情况1 ) 事故工况 228 ( 情况2) 8． 7.4米处支撑局部应力校核

在上述五种工况计算的基础上对该处的支座结构进行三维局部分析，将上述五种工况计算所得的螺栓力（包括弯矩）作为已知力（已知弯矩），施加于支座结构上，从而计算得到整个支座结构上的应力分布。

经校核，7.4米处支撑局部应力合格。（具体计算结果不在本文列出。） 9 不同支撑组合时主风管壳体的应力分析

9．4 计算结果评定 SSE工况下不同支撑位置组合的应力校核见表9-1。

表9-1 SSE工况 7.4米处支撑与下支撑 2.9米处支撑 与下支撑 7.4米处支撑 最大应力 发生部位 MPa 79.9 主风管与底部法兰支撑筋板的连接处 189 116 2.9米支撑处 7.4米支撑处 准则级别 D D D 许用极限 MPa 2.4SH*υ=246 最大应力与 许用极限比 0.32 结论 合格 2.4SH*υ=246 2.4SH*υ=246 0.77 0.47 合格 合格 从计算结果可以看出，不同支撑组合的最大应力及发生部位有所不同，支撑下移或不加下支撑情况时主风管壳体上的最大应力明显大于7.4米处支撑与下支撑的情况，增加下支撑可以提高主风管的抗震能力。分析所选用的支撑组合为最佳支撑组合。 10． 结论

本分析根据秦山二期60万千瓦核电站的反应堆堆坑通风系统气密性主风管的几何结构，采用8结点板壳单元与梁单元组合建立计算模型，根据核二院提供的技术条件，以楼面反应谱作为地震动的输入，对主风管进行有限元强度计算。按照RCC－M的评判准则，在四种工况条件下，对计算结果进行了评定，评定结果表明，主风管壳体、底部法兰、地脚螺栓以及支撑结构等均满足强度要求。并且，从分析结果可以看出，由于主风管是高耸结构，它的抗震薄弱环节在于支撑件、连接部件以及地脚螺栓，因此抗震措施的重点在于增强连接的抗震性能。

从不同支撑组合在地震工况下的主风管应力比较又可以看出，主风管的抗震能力与抗震支撑方案有关。所选的支撑方案应该不仅能够减小热膨胀对管道的影响，并且在地震时又不造成过大的地震反应。因此要求在恰当的位置和恰当的方向上配置支撑装置。比较结果表明，本分析采用的支撑组合为最佳支撑组合。

参考文献（略）

洪瑛：1968年出生 工程师

1990年毕业于上海工程技术大学 机械制造及设备专业 本科学历 2000年华东理工大学 化工过程机械专业硕士 经树栋：1948年出生 教授

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8be6.html