非能动氢复合器的应力分析和评定

唐雨建 宁庆坤 弓振邦 刘树斌

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

非能动氢复合器的应力分析和评定

唐雨建 宁庆坤 弓振邦 刘树斌

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

非能动氢复合器是核电站重要的安全屏障，能够避免核电站因氢气积聚而引发的燃烧和爆炸。在福岛核事故之后，国内外核电站更加重视非能动氢复合器的作用。本文主要研究非能动氢复合器在地震和LOCA工况下的应力状态。利用有限元软件ANSYS建立模型，合理考虑LOCA工况下气流载荷对结构的影响，最后按照RCC-M规范进行评定。结果表明，该结构满足RCC-M规范的相关要求。本文可以为非能动氢复合器应力分析与评定提供参考。

非能动氢复合器，ANSYS，应力分析，RCC-M

非能动氢复合器分为30型和50型两种，每种分别具有立式焊接、立式锚接和水平锚接等三种支撑形式。首先对30型和50型的氢复合器进行模态分析，显然，在支撑形式相同的情况下，50型的框架越大，其固有频率越低，对应的地震载荷越大。因此采用有限元软件ANSYS对50型非能动氢复合器进行结构的建模和应力分析，其计算结果可以包络30型的非能动氢复合器。本文以水平锚接的支撑形式为例，依据RCC-M规范对其在各级工况载荷组合作用下的应力进行评定。

50型水平锚接非能动氢复合器由框架、面板、催化床抽屉和支撑等组成。框架是由角钢组焊而成的框架结构，框架外部由面板和壳体覆盖，底部插入一个催化床抽屉。框架上的地脚槽钢通过4个M16与水平支架连接，水平支架通过8个锚栓与地基相连接[1]。设备结构图如图1所示。

该设备属于RCC-MNC级，但有抗震要求，本报告按RCC-M规范对三级部件的要求进行评价，以验证该设备在地震和LOCA条件下是否能够保证结构的完整性。

图1 设备结构图Fig.1 Configure of passive hydrogen autocatalytic recombiner.

1 材料属性

框架和支架的材料都为0Cr18Ni9，RCC-M规范[2]的对应材料为Z6CN18-10钢。高温下的材料属性通过RCC-MR 2002 A3查询[3]得到，详细数据见表1。

表1 0Cr18Ni9在各温度下的材料属性Table 1 Material properties of 0Cr18Ni9.

2 载荷工况和规范要求

2.1载荷工况

设备在各运行工况时，承受以下三种载荷。

自重：50型非能动氢复合器(水平锚接支撑) 计算总质量约为285 kg，记为DW。

地震载荷：OBE地震取RX厂房29.00 m和RC安全壳40.0 m的楼层包络谱，阻尼比为2%谱；SSE地震的谱值为OBE地震阻尼比4%的谱值的2倍。分别记为OBE和SSE。

LOCA工况的气流载荷：气流速度为64 m/s，气流密度为2.05 kg/m3，计算中采用相同量级的压强来实现。气流产生的压强按下列公式计算：w=0.5ρ×v2，其中w为压强(kN/m2)，v为速度(m/s)， ρ为密度(kg/m3)，记为LOCA[4]。

2.2工况组合

分析评定时，正常工况和异常工况考虑电厂正常运行时的环境温度作为支撑和壳体及其相关附件的温度；设计基准事故工况考虑设计基准事故的环境温度作为支撑的温度，对壳体及其相关附件的评定，需要在环境温度基础上考虑设计基准事故工况氢气复合所引起的温升；严重事故工况考虑严重事故的环境温度作为支架的温度，对壳体及其相关附件的评定，需要在环境温度基础上考虑严重事故工况氢气复合所引起的温升。非能动氢复合器抗震计算的温度和载荷等按表2考虑[1]。

DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040647

表2 温度工况和载荷条件Table 2 Temperature conditions and load conditions.

2.3规范要求

2.3.1 框架应满足的规范

该设备为核安全3级，由于氢复合器是非能动部件，抗震类别为1I类，即要求设备在SSE地震和LOCA工况下能保证完整性。表3列出评定准则和相应的应力限值。

表3 框架的评定准则和许用应力极限Table 3 The evaluation criteria and allowable stress limit.

2.3.2 支架应满足的规范

根据RCC-M对板式支承件的要求，对此类板壳式支承件进行弹性应力分析。按照规范要求，采用最大主应力理论，表4列出支架的评定准则和相应的应力限值。

表4 支架的评定准则和许用应力极限Table 4 The evaluation criteria and allowable stress limit.

3 计算方法和计算模型

3.1计算方法

本文采用有限元方法计算结构在各种载荷下的应力，所用程序为ANSYS10.0[5]，其在我国核电设备设计分析中应用的有效性已经得到国家核安全局的认可。

地震作用的计算采用BLOCK LANCZOS法提取结构模态，用响应谱法计算结构地震响应，用SRSS法对各阶模态进行组合，用SRSS法组合三向地震作用[6]。在谱分析之后进行静力修正，静力修正的加速度取各方向的截断频率加速度。

3.2计算模型

用板壳元(SHELL63)对框架和支撑建立有限元模型，模型中包含了抽屉的重量，以平均密度的形式均布在抽屉隔间的框架上。50型(水平锚接支撑)非能动氢复合器的有限元模型见图2。

计算模型的坐标均以复合器宽度方向为X轴，复合器的长度方向为Y轴，以重力方向为Z轴。

4 计算结果

4.1框架的应力及评定

将各载荷工况的分析结果按表5的组合方式进行组合，得到框架在载荷工况组合条件下的应力，应力结果列于表5，设计基准事故工况下应力分布见图3(a)和3(b)。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model.

表5 各工况下框架的最大应力响应Table 5 Maximum stresses of frame under all conditions.

图3 设计基准事故工况下框架的薄膜应力分布(a), 设计基准事故工况下框架的薄膜加弯曲应力分布(b)Fig.3 σmof frame under design basis accident condition (a), σm+σbof frame under design basis accident condition(b).

4.2支撑的应力及评定

将各载荷工况的分析结果按表6的组合方式进行组合，得到支撑在载荷工况组合条件下的应力，应力结果列于表6，设计基准事故工况下应力分布见图4(a)和4(b)。

表6 各工况下框架的最大应力响应Table 6 Maximum stresses of support under all conditions.

图4 设计基准事故工况下支撑的薄膜应力分布(a), 设计基准事故工况下支撑的薄膜加弯曲应力分布(b)Fig.4 σmof support under design basis accident condition(a), σm+σbof support under design basis accident condition(b).

5 结语

本文采用有限元方法对非能动氢复合器进行了应力分析。分析评定的结果表明50型(水平锚接支撑)非能动氢复合器及其支撑在各级工况下满足RCC-M有关规范的要求。

1 非能动氢复合器技术规格书[R]. 中国核电工程有限公司, 2009 Technical specifications of passive hydrogen autocatalytic recombiner[R]. China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, 2009

2 压水堆核电机械设备设计和建造规范RCC-M, 2000版+2002年补遗[S]. 2002 Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands, RCC-M, 2000 edition+2002 Addendum[S]. 2002

3 FBR核电机械设备设计和建造规范 RCC-MR, 2002[S]. 2002 Design and construction rules for mechanical components of FBR nuclear islands, RCC-MR, 2002 edition[S]. 2002

4 建筑结构载荷规范[S]. 中华人民共和国建设部, 2002 Load code for the design of building structures[S]. Ministry of Construction of the People's Republic of China, 2002

5 ANSYS10.0使用手册[CP]. 2007 ANSYS10.0 User's Manual[CP]. 2007

6 APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M]. 中国水利水电出版社, 2004 APDL Parameterized finite element analysis techniques and applications[M]. China Water Power Press, 2004

Stress analysis of passive hydrogen autocatalytic recombiner

TANG Yujian NING Qingkun GONG Zhenbang LIU Shubin
(China Nuclear Power Engineering Co. Ltd., Beijing 100840, China)

Background: Passive hydrogen autocatalytic recombiner is a device for eliminating hydrogen in the containment of the nuclear power plant when severe accident occurs, avoiding hydrogen explosion. After the Fukushima nuclear accident, the nuclear power plants pay more attention to the role of Passive hydrogen autocatalytic recombiner. Purpose: This paper studies the stresses of passive hydrogen autocatalytic recombiner under the seismic and LOCA conditions. Methods: Modeling by using the finite element software ANSYS, the impacts of airflow load under the LOCA conditions are considered reasonably and the strength of passive hydrogen autocatalytic recombiner is also evaluated according RCC-M. Results: The results show that the model can meet the requirement of the standard document. Conclusions: This paper will provide technical support for stress analysis and evaluation of passive hydrogen autocatalytic recombiner.

Passive hydrogen autocatalytic recombiner, ANSYS, Stress analysis, RCC-M

TL353+.9

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040647

唐雨建，男，1982年出生，2007年于哈尔滨工程大学获硕士学位，工程师，从事反应堆结构力学设计

2012-10-05，

2012-12-17

CLC TL353+.9