核电厂膨胀水箱抗震分析

核电厂 膨胀水箱抗震分析

晋文娟 1,范章 1,付一晨 1

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

式中，P_m为总体薄膜应力，P_L为局部薄膜应力；P_L+P_b+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P_L+P_b+Q的结果已经包络P_L和P_L+P_b，保守作如下简化评定，见表2。

表2 支座简化评定应力限值

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

式中f_t为螺栓拉伸应力，f_v为螺栓剪切应力，a为螺栓有效面积，f_tb为螺栓拉伸许用应力，f_vb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=157mm^2[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。

4.2结果分析

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

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

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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