1.中国核电工程有限公司,北京 100840
摘要:本文采用ANSYS软件对核电厂膨胀水箱进行抗震分析,建立完整的有限元模型,通过模态分析获得设备的一阶固有频率,确定用准静力法分析该设备在地震工况下的强度,根据标准评定是否满足相关要求。计算结果对膨胀水箱的设计和校核具有一定的指导意义。
关键词: ANSYS;抗震分析;卧式容器
1.引言
地震给人类带来的危害是巨大的,研究和预防地震一直是人类关注的重要问题。福岛核事故后,各国核电监管部门对核电站设备的抗震设计提出了更高的要求。压力容器广泛应用于核电领域,一旦发生破坏,后果不堪设想,因此,对压力容器进行可靠地设计非常重要。
本文采用通用有限元软件ANSYS对核电厂膨胀水箱进行抗震分析,旨在获得支座的应力分布及地脚螺栓的受力情况,来判定其是否满足抗震要求。
2. 模型建立
2.1几何模型
膨胀水箱为卧式容器,主要组成部件包括2个蝶形封头、圆柱形筒体、接管和鞍式支座等。设备筒体通过垫板与支座焊接,支座通过4个M16地脚螺栓与基础相连。设备为非安全级设备,但支撑部分有抗震计算的要求。设计温度为65.6℃,设计压力1.03MPa,内径为433mm,壁厚12mm,总容积0.17m3。
设备受压材料为Q345R,许用应力为189MPa[1],支座材料为Q235B,许用应力为160MPa,地脚螺栓为35CrMoA。
2.2网格划分
为了真实的反映设备的受力情况,模型整体结构采用Solid 185实体单元建模。为保证网格质量,结构不连续处进行加密细化。
2.3载荷及位移边界条件
膨胀水箱受到自重、内压、接管载荷和地震载荷。
设备空重248kg,介质重量202kg,考虑到制造厂的制造误差等影响,计算质量考虑1.2倍设备空重+介质重量,以等效密度的方式施加到承压边界上,即设置承压筒体和封头的密度为等效密度。
地震时要同时考虑接管载荷的作用,在设备管嘴处通过建立质量单元(MASS21)来施加接管载荷。筒体、封头和接管内表面施加设计压力载荷,管嘴端面施加内压等效载荷。
由于固定鞍座需要锚固,滑动鞍座底板可允许沿滑槽方向滑移,因此对固定鞍座底板螺栓孔处施加全自由度约束边界条件,滑动鞍座底板螺栓孔处约束x、y方向自由度,释放z向自由度。
3. 评定准则
3.1支座评定
支座按照JB/T 4732-1995(2005年确认)[2]的方法进行评定,如表1所示。
表1 支座评定应力限值
工况 | 载荷 | 应力限值 |
正常工况 设计工况 | 自重、内压、接管载荷 | |
地震工况 | 自重、内压、接管载荷、地震载荷 | |
式中,Pm为总体薄膜应力,PL为局部薄膜应力;PL+Pb+Q为局部薄膜+弯曲应力+二次应力;Sm为材料在工作温度下的许用应力;K=1.2。
由于PL+Pb+Q的结果已经包络PL和PL+Pb,保守作如下简化评定,见表2。
表2 支座简化评定应力限值
工况 | 载荷 | 应力限值 |
正常工况 设计工况 | 自重、内压、接管载荷 | |
地震工况 | 自重、内压、接管载荷、地震载荷 | |
3.2螺栓评定
地脚螺栓按照NB/T 47042-2014[3]的方法进行评定,如表3所示。。
表3 地脚螺栓评定应力限值
工况 | 载荷 | 应力限值 |
正常工况 设计工况 | 自重、内压、接管载荷 | |
地震工况 | 自重、内压、接管载荷、地震载荷 | |
式中ft为螺栓拉伸应力,fv为螺栓剪切应力,a为螺栓有效面积,ftb为螺栓拉伸许用应力,fvb为螺栓剪切许用应力, 为螺栓材料的屈服强度。对于螺柱材料35CrMoA,该材料的屈服强度
为735MPa。M16的螺栓有效截面积取a=157mm2[4]。
4. 结果分析
4.1模态分析
首先对膨胀水箱进行模态分析,根据计算结果,设备第一阶固有频率为34.9438Hz,大于截断频率33Hz,可看作刚性部件,因此可以采取等效静力法计算地震响应。对计算模型水平x、y方向,垂直z方向各施加1g加速度来模拟地震载荷。
经过计算,正常工况和地震工况下,膨胀水箱支座最大应力强度分别为209MPa和297MPa,位于螺栓孔附近,应力强度都较大,因此需要对其进行应力线性化分析。线性化分析结果及评定如表4所示。从表中可以看出,正常工况和地震工况支座线性化后的应力强度值均小于限值,即支座强度满足规范的要求。
表4 支座应力线性化结果及评定
工况 | 应力类别 | 计算值(MPa) | 许用值(MPa) | 比值 |
正常工况 设计工况 | | 25.3 | 160 | 0.16 |
| 208.0 | 240 | 0.87 | |
地震工况 | | 29.0 | 192 | 0.15 |
| 232.1 | 240 | 0.96 |
提取螺栓孔处载荷对地脚螺栓进行受力分析并评定,如表5所示。根据计算结果可知,地脚螺栓强度满足要求。
表5 螺栓计算结果及评定
工况 | 最大轴力 (N) | 拉伸应力(MPa) | 最大剪力 (N) | 剪切应力(MPa) | 拉剪 组合 | ||
计算值 Fy | 计算值 | 许用值 | 计算值 Fxz | 计算值 | 许用值 | ||
正常工况 设计工况 | 32633 | 207.9 | 367.5 | 7580.0 | 48.3 | 294 | 0.35 |
地震工况 | 50654 | 322.6 | 441 | 36741.6 | 234.0 | 352.8 | 0.98 |
5.总结
本文采用ANSYS有限元分析软件对核电厂膨胀水箱进行了力学分析及计算。计算结果及相关评定可得出以下结论:
(1)膨胀水箱一阶固有频率为34.9438Hz,大于截断频率,可以采用等效静力法进行抗震计算;
(2)在正常、设计工况和地震工况下,设备支座强度都低于限值,满足相关标准的要求;
(3)地脚螺栓强度满足相关标准要求。
参考文献
[1] GB/T 150-2011压力容器[S],北京:中国标准出版社,2011
[2] JB/T 4732-1995钢制压力容器-分析设计标准(2005年确认)[S],北京:中国标准出版社,1995
[3] NB/T 47042-2014卧式容器[S],北京:新华出版社,2014
[4] GB/T 16823.1-1997螺纹紧固件应力截面积和承载面积[S],北京:中国标准出版社,1997
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