RIGD单元和SPRS单元对主给水管道解耦模型的影响分析

(中广核工程设计有限公司,广东深圳 518057)

0 引言

地震可直接损坏使核电厂达到和维持在安全停堆状态所需要的设备；也可间接造成设备故障或引发内部灾害。因此，地震设计应确保使电厂达到并维持安全停堆状态的安全系统能执行其功能，保持其完整性或稳定性，且保证足够的裕度满足概率安全目标[1-4]。

主给水管道与蒸汽发生器相连，是压水堆核电站承压边界的组成部分，是第二道放射性屏障保护边界的重要组成部分。基于此，主给水管道需要进行抗震设计，以满足主给水管道抗震要求[5-8]。

主给水管道抗震设计要考虑主回路的影响，在项目设计中有两种方法可供选择，一种是不与主回路解耦，连着主回路模型一起计算；另一种是与主回路解耦计算，通过在解耦处施加地震接管谱及位移来模拟主回路影响。选择主给水管道与主回路解耦模型进行分析时，主给水管道管嘴到蒸发器解耦约束点处单元的模拟需要合理选择。本文借助有限元分析软件PIPESTRESS[9]谱分析卡片，分别采用RIGD单元和SPRS单元进行抗震分析，并对抗震分析计算结果进行对比。

1 主给水管道简介

主给水系统的主要运行功能是维持蒸汽发生器液位在其整定值允许的偏差之内。系统的调节能力应能够适应机组10%负荷阶跃变化或每分钟5%负荷线性变化而不会导致蒸汽发生器液位产生明显的偏差[10]。

主给水管线不属于专设安全系统，但参与反应性控制、余热排出和放射性物质包容三大安全功能的实现。某核电站主给水管线布置模型如图1所示。

2 主给水管道抗震分析

采用PIPESTRESS有限元软件对某核电站主给水管道开展抗震分析，对主给水管道管嘴到蒸发器解耦约束点处的有限元模型分别选用RIGD单元和SPRS单元开展抗震分析，获得主给水管道的地震响应。

图1 某核电站主给水管道布置模型

2.1 建立有限元模型

按照图1所示的主给水管线的尺寸、布置走向、截面参数、支架图纸及约束方向、管线材质搭建PIPESTRESS模型。

主给水管道管嘴与蒸汽发生器解耦处理，对主给水管道计算时，通过施加蒸汽发生器对管道的接管谱模拟动态效应、通过施加蒸汽发生器对管道的位移模拟静态效应[11]。为了准确模拟阻尼器的动态效应，按照布置模型，真实地模拟了阻尼器的刚性部分和阻尼部分。管道与贯穿件连接位置采用过渡壁厚建模，尽可能真实模拟管道和贯穿件的连接形式。基于PIPESTRESS软件建立的某核电站主给水管道模型如图2所示。

图2 某核电站主给水管道PIPESTRESS模型

2.2 RIGD单元和SPRS单元介绍

PIPESTRESS软件通过RIGD卡片定义RIGD单元，该卡片定义了一个足够刚的、能传递位移和转动的直管单元。PIPESTRESS软件通过SPRS卡片定义SPRS单元，该卡片定义了一个6×6阶对角刚度矩阵的结构单元。

(1)RIGD卡片。

RIGD PT=2016 EW=0 DX=-1.7217 DY=-1.7217 DZ=0.0246 MA=0.0555 AL=/rigd/

其中：PT定义节点号，EW定义焊缝类型，DX/DY/DZ定义各个方向上的位移增量，MA定义集中质量，AL定义注释。

(2)SPRS卡片。

SPRS PT=616

DX=-0.0007 DY=-0.0007 DZ=0.0001

XX=0.7071 XY=-0.7071 XZ=0.0001

AX=4080 AY=2350 AZ=4170

BX=5430 BY=25100 BZ=341200 AL=/sprs/

其中：PT定义节点号，DX/DY/DZ定义SPRS单元的Z′方向，XX/XY/XZ定义SPRS单元的X′方向，AX/AY/AZ定义SPRS单元的平动刚度，BX/BY/BZ定义SPRS单元的转动刚度，AL定义注释。

2.3 分析结果

2.3.1 RIGD单元谱分析结果

主给水管道管嘴到蒸发器解耦约束点处选用RIGD单元建模，采用PIPESTRESS软件开展地震谱分析，得到地震载荷最大响应在阻尼器与管道连接处，对应PIPESTRESS模型中的节点39，最大地震应力为143.58 MPa,详见图3。

图3 RIGD单元谱分析地震应力分布

2.3.2 SPRS单元谱分析结果

主给水管道管嘴到蒸发器解耦约束点处选用SPRS单元建模，采用PIPESTRESS软件开展地震谱分析，得到地震载荷最大响应在阻尼器与管道连接处，对应PIPESTRESS模型中的节点39，最大地震应力为137.78 MPa,详见图4。

2.4 分析结果对比

主给水管道管嘴到蒸发器解耦约束点处分别选用RIGD单元和SPRS单元建模，借助PIPESTRESS软件开展地震谱分析，获得主给水管道的地震响应。选用RIGD单元和SPRS单元对地震下应力、结构模态、地震下阀门加速度和支架反力的影响见表1～4。

通过对表1～4中数据进行对比，可得到以下结论。

(1)主给水管道管嘴到蒸发器解耦约束点处分别选用RIGD单元和SPRS单元建模,对地震下管道应力影响较小，但对结构模态、地震下阀门加速度及支架反力影响较大。

(2)工程设计中需要对选用RIGD单元或SPRS单元开展敏感性分析，根据分析结果合理选取建模单元。

图4 SPRS单元谱分析地震应力分布

表1 地震应力对比

表2 模态对比

表3 地震下阀门加速度对比

表4 地震下支架反力对比

2.5 评价效果

通过开展敏感性分析，合理选取RIGD单元或SPRS单元能获得更加真实的地震响应，可为核电站管道及物项布置提供数据支持，比如：(1)获取合理的模态分布，更容易获得更加真实的动态载荷，有利于支架设计；(2)获取更加合理的阀门加速度，有利于阀门布置；(3)获取更加合理的设备接口载荷，有利于接口设备设计；(4)获取更加合理的地震响应，有利于整个管系的优化设计。

2.6 选取RIGD和SPRS单元方法

在核电管道力学分析过程中，有大量的管道与相连设备或管道需要解耦建模。大多数情况下，采用的是RIGD单元，但对项目比较关注的重要管道，需要对解耦单元选取RIGD单元和SPRS单元开展敏感性分析，对两种单元的计算结果进行对比，如果两种单元管道计算结果接近，由工程师任意选取RIGD单元和SPRS单元开展管道计算；如果计算结果差异较大，建议采用SPRS单元开展管道计算，以便获取更加真实的管道应力分布和支架反力。

3 结语

PIPESTRESS有限元软件在管道与相连设备或管道解耦建模时，需要开展单元敏感性分析，根据敏感性分析结果合理选取RIGD单元或SPRS单元，才能获得更加真实的管道应力和反力。