某核电工程冷凝水冷却器抗震分析设计

李文默

摘 要：作为核安全设备，冷凝水冷却器的抗震分析对于确保其在地震下能够实现必要的安全功能至关重要。本文以某核电项目为背景，通过有限元软件ANSYS建立冷凝水冷却器有限元模型，采用反应谱法对其进行抗震分析与评定。通过对设备的筒体、垫板、鞍座及接管的抗震分析评定，该设备的设计满足了相关规范的要求，能够实现其必要的安全功能，满足实际工程的需要。

关键词：冷凝水冷却器;核安全设备;有限元;抗震分析

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0155-02

0 引言

根据先进核电压水堆抗震设计要求以及《核电厂抗震设计规范》，核岛抗震设计中要求地面加速度为0.3g，相比二代压水堆以及二代改进型压水堆核电站，大幅的提升了设备抗震性能，因此抗震分析设计是核电站设备设计分析中必不可少的环节[1]。本文采用大型商用软件ANSYS，针对某核电项目的冷凝水冷却器建立了有限元模型，为保证计算的准确性，管侧与壳侧的压力差以及水的附加质量都考虑其中，对设备的筒体、垫板、鞍座及接管等进行了抗震分析。计算结果显示该设备的设计满足相关规范要求，能够实现其必要的安全功能。

1 设备结构

冷凝水冷却器属于核电厂TEU系统，安全级别—3级，规范级别—RCC-M3级，抗震1I类。设备外形如图1所示。

2 载荷及评定规范

2.1 载荷

（1）重力DW。（2）内压：管侧0.8MPa，壳侧1.3MPa。（3）接管：考虑各个接管的接管载荷。（4）地震：OBE地震和SSE地震。其中OBE的地震谱选取2%阻尼比，SSE的地震谱选取3%的阻尼比。

2.2 评定规范

根据核级设备的规范等级和安全等级，本文研究对象的壳侧部分应按照规范RCC-M中D3300篇的限值进行应力评定。评定规范如表1所示。

支座根据规范RCC-M中H1310篇的要求进行评定。本设备为S2级支承件，故应根据H3300篇要求的准则进行评定。支承件为板壳结构的准则许用限值见表2。

3 有限元模型及计算方法

3.1 有限元模型

有限元模型采用大型商用软件ANSYS建立。主要份为两部分：整体壳模型、局部实体模型。

整体壳模型是为了计算容器和支座在重力、压力、接管载荷以及地震载荷下的设备应力。选用壳单元（SHELL181），建立设备各个组成部件的有限元模型，接管选用Mass21的质量单元进行模拟并采用MPC进行连接。外载荷则加到Mass21的质量单元上、压力施加在设备的受压表面。

建立局部实体模型，对接管的应力进行评估。选用Soilid45的实体单元建立局部接管模型，评估接管和压力对局部区域的影响。

3.2 计算方法

本文采用工程中常用的振型分解反应谱法进行计算[2-3]。在设备正常运行状态下，容器中充满介质。为了计算的准确性，需考虑容器内液体在地震作用下的影响，并且认为在接管载荷和重力作用下，容器内部液体的质量均匀的分布在壳体上面。地震载荷下的模态分析方法选用的是BLOCK LANCZOS法，地震分析方法选用响应谱法。另外，为保证计算的保守性，在计算结果中，保守的选用各项载荷的最大值进行分析评定。

4 结果

4.1 壳体评定

根据第4节的有限元模型进行计算，得到壳体的薄膜和薄膜加弯曲应力如表3所示。

综上可以看出，壳体的应力满足规范RCC-M的要求。

4.2 垫板评定

表4示出了垫板的薄膜和膜加弯曲应力结果。

以上结果表明各个工况下垫板的应力均满足RCC-M规范的相关要求。

4.3 支座评定

鞍座最不利工况下薄膜和膜加弯曲应力结果分别如表5所示。

以上结果表明各个工况下鞍座应力满足RCC-M规范的相关要求。

4.4 接管应力评定

根据冷凝水冷却器接管尺寸形式相同的特点，选取承压最大的接管进行应力评定。根据RCC-M规范D3300 （C3300中表3382）规定，接管与筒体连接区域应按局部薄膜应力进行评定。同时为保守计算，假定接管载荷剪力同时加载于Y、Z方向，并考虑于Y、Z方向的矩产生最大叠加组合。具体施加方式为：施加负方向MZ，其他五个量均沿正方向施加。接管最不利工况下薄膜应力结果分别如表6所示。图2示出了D工况下接管连接区域应力化曲线。

以上结果表明各个工况下接管应力满足RCC-M规范的相關要求。

5 结语

本文针对某核电项目冷凝水冷却器，建立有限元模型，按照设备抗震分析流程，对冷凝水冷却器的筒体、垫板、鞍座及接管等进行评定，计算结果显示冷凝水冷却器的设计满足RCC-M规范要求，可以在各个工况下完成其安全功能。

参考文献

[1] GB50267-97.中华人民共和国国家标准，核电厂抗震设计规范[S].1998年2月1日.

[2] 李爱群，丁幼亮.工程结构抗震分析[M].高等教育出版社，2010.

[3] R.克拉夫J.彭津.结构动力学（第二版）[M].高等教育出版社，2006.