地震工况下轴封主泵电机支座的强度分析

地震工况下轴封主泵电机支座的强度分析

赵猛

哈尔滨电气动力装备有限公司       黑龙江哈尔滨 150066

摘要：核电厂对核主泵的安全运行要求极高，有必要对地震工况下轴封主泵电机支座进行强度分析。本文采用有限元分析方法对轴封主泵上下电机支座进行了静力学分析，考虑了地震工况下通过阻尼器给电机提供的水平支撑载荷分别为最大和最小时，分析主泵电机支座结构受力情况。结果表明，电机支座的结构强度满足ASME-III规范要求。

关键词：核主泵电机支座ANSYS Workbench 地震工况阻尼器支撑ASME规范

1 引言

随着传统能源的日益枯竭以及人们对环境保护意识的日渐增强，新能源的开发和利用越来越受到各国政府的高度重视，其中合理开发利用核能发电早就被列入我国发展规划当中。目前成熟且先进的核电技术是以AP1000和华龙一号为代表的三代核电技术。其中核主泵是核电站核岛中重要的设备组成，是反应堆冷却系统的核心部分，被称为反应堆的心脏，这一部分的核安全级别要求更高。

对于如核反应堆这样庞大且结构复杂系统的计算分析，传统的分析方法已远不能满足计算需求。随着科技的发展，计算机的功能越发强大，处理能力显著增强。依托于计算机平台的有限元分析技术在力学领域已发挥着不可替代的作用。通过相关的有限元软件，一个人只需要一台性能较高的计算机输入合理的求解条件在很短的时间内就能够解决以往需要大量人力资源花费相当长时间才能达到的效果。这极大地提高了工作效率，且能降低人为失误。在工业上有限元软件计算的精度通常能很好的满足人们的使用要求。

本文使用有限源程序对地震工况下轴封主泵电机支座受不同水平支撑载荷时的强度进行分析并用ASME-III规范进行评定。

2 载荷数据输入

本文计算所使用温度为运行温度150ºC，安全停堆地震载荷SL-2引起的电机和支座间的载荷见下表1：

表1 D级工况的载荷

计算时安全停堆地震载荷SL-2引起的载荷，作用于电机与支座的接触面上。

表2地震工况阻尼器作用载荷

说明：支承轴线方向，支承受压为负，受拉为正。载荷取回路的包络值。

图1 反应堆核主泵示意图

3 材料属性

力学性能和许用应力，Sm-设计应力强度值在ASME第II卷D部分中表2A，表4中给出。Sy-屈服极限值在ASME第II卷D部分，表Y-1中给出。Su-抗拉极限值在ASME第II卷D部分，表U中给出。需满足ASME规定的极限值。

对于法兰和内圆筒（锻件），材料为ASTM A668。根据ASME规范，温度为150ºC时，ASTM A668的许用应力（D级工况）为

许用一次薄膜应力：min(max(1.2*Sy=274.7MPa, 1.5*Sm=258.6MPa), 0.7*Su=362MPa)=274.7Mpa [2]许用一次薄膜+弯曲应力：1.5 *274.7=412.0 Mpa。对于钢板，材料为碳钢。

表3 150ºC时材料属性（根据[1]ASME规范第II卷D部分表TM-1）

根据ASME规范，温度为150ºC时，碳钢的许用应力（D级工况）为

许用一次薄膜应力：min(max(1.2*Sy=262.9MPa, 1.5*Sm=199.6MPa), 0.7*Su=280MPa)=262.9 Mpa [2]

许用一次薄膜+弯曲应力：1.5*262.9 = 394.4 Mpa

4有限元模型描述及边界条件

本文分析利用Ansys Workbench有限元程序实现[3]。有限元模型包含上电机支座、下电机支座两部分。只需建立承受载荷部件的三维模型。力和力矩施加在上电机支座上表面，阻尼器水平支撑1和2受的载荷通过其各自局部坐标系，沿支承轴线方向施加，规定支撑受压为负，受拉为正。固定约束下电机支座的底面。分析了水平支撑载荷为最大值和最小值两种情况，两种受力情况见图2所示。

图2电机支座有限元分析示意图

5 有限元分析结果及评定

有限元分析的结果以应力强度轮廓图的形式显示(Tresca应力)。压力单位为MPa。本文给出了D级工况下的应力结果。有限元应力评估遵循ASME-III规范，设计工况遵循NF部分，D级工况遵循附录F。模型的应力强度如图所示，需要注意的是显示的应力是总应力。对于D级工况,只有一次应力是受限的。

上电机支座由两种材料制成即法兰和内部圆柱面由材料ASTMA668制成，外罩和肋由材料碳钢制成。下电机支座同样由两种材料制成即法兰由材料ASTM A668制成，外罩由材料碳钢制成。

表4 ASME-III规范中D级工况相关考核指标

图4D级工况下较高应力区域的线性应力（a）上电机支座受最小支撑载荷;（b）下电机支座受最小支撑载荷

评定路径1-1：一次膜应力，一次薄膜+弯曲应力，因此上电机支座在最小支撑载荷时所有应力均低于许用值。

评定路径2-2：一次膜应力，一次薄膜+弯曲应力，可见下电机支座在最小支撑载荷时所有应力均低于许用值。

图5 D级工况下较高应力区域的线性应力（c）上电机支座受最大支撑载荷;（d）下电机支座受最大支撑载荷

评定路径1-1：一次膜应力，一次薄膜+弯曲应力，可得上电机支座在最大支撑载荷时所有应力均低于许用值。

评定路径2-2：一次膜应力，一次薄膜+弯曲应力，可见下电机支座在最大支撑载荷时所有应力均低于许用值。

6结论

本文用有限元方法对地震工况下的轴封主泵电机支座进行强度分析，考虑了地震工况下阻尼器水平支撑载荷分别为最大和最小时，主泵电机支座结构受力情况。分析结果表明地震工况下无论水平支撑载荷是最大或最小，上下电机支座的局部一次薄膜应力及一次薄膜+弯曲应力均低于规范的考核指标，即地震工况下轴封主泵电机支座的结构强度满足ASME-III规范要求。

7参考文献

[1] ASME-II, Part D, Material Properties, Edition 2007

[2] ASME-III, pision 1, Edition 2007

[3] 周炬，苏金英.ANSYS Workbench 有限元分析实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2019