核电厂风冷冷水机组框架结构的力学分析与评定

核电厂风冷冷水机组框架结构的力学分析与评定

吴祖胜，彭翠玲

（中广核研究院有限公司，广东省 深圳市518031）

Mechanical Analysis and Evaluation of Fram Structure of Air-Cooled Chiller Unit for Nuclear Power Plant

WU Zusheng, PENG Cuiling

(China Nuclear Power Research Institute Co., Ltd., Shenzhen 518031, Guangdong Province, China)

摘要：核电设备运行时的结构完整性、稳定性是设备设计必须考虑的因素。利用有限元分析软件，对某核电厂用风冷冷水机组模块框架结构进行应力计算和抗震分析。计算结果表明：该风冷冷水机组结构强度和螺栓强度在各种载荷工况下均能满足相关要求。最后就机组框架设计提出了一些建议,为今后核电厂风冷冷水机组的优化设计和抗震性能的改进提供借鉴。

关键词：核电厂；风冷冷水机组；框架；锚固件；抗震分析

度进行分析，以确保在各种载荷组合工况下，机组结构均满足相关标准规范的要求。

针对某核电厂风冷冷水机组模块，对其框架结构和锚固件进行应力计算和抗震分析，证明机组模块在各种载荷组合下仍能保持足够的强度和完整性。

1机组结构介绍

ABSTRACT: The design of nuclear power equipment isconcerned with structural integrity and stability of the equipment in running process. Using the finite element analysis software, the stress calculation and seismic analysis were carried out on the fram structure of the air-cooled chiller unit in a nuclear power station. The calculation results show that the structure strength and bolts strength of the air-cooled chiller can meet the requirements of all working conditions. Finally some suggestions for the design of unit frame were put forward, which could provide reference for the optimization design and seismic performance improvement of air-cooled chiller in nuclear power plant in the future.

KEY WORDS: nuclear power plant; air-cooled chiller;framing; anchoring parts; seismic analysis

0引言

中央冷冻水系统(virtual workspace service，

VWS)中的风冷螺杆式冷水机组(简称风冷冷水机组)主要功能是为VWS 提供冷冻水。风冷冷水机组运行时，除了设备自身产生的载荷外，还会受环境载荷的影响，如风载和地震载荷等。为了保证机组安全稳定运行，需对其在各种工况下的强

某核电厂风冷冷水机组是由2 个结构相同的单模块机组组合而成，共同安装在整体槽钢基座上。根据文献[1-3]，机组模块由机架、底座、蒸发器、储液器、控制箱、强电箱、冷凝器、压缩机、保温箱、轴流风机及总装配件等设备组成，机组模块安装在厂房的屋顶。

1.1 框架结构参数

本次计算只关注整体槽钢基座以及底座与机架组成的机组框架结构本身的强度，只考虑设备的重量和重心对框架结构分析的影响，设备和面板的刚度均忽略不计，这种简化是偏于保守的。

整体槽钢基座与机组框架主要由不锈钢钢板折弯件和型钢组成，机组框架结构如图1 所示。

1.2 框架材料力学特性

机组框架结构材料型号为304，均为线性支撑结构，根据文献[4]，材料的许用应力如表1 所示。

表1 304 材料属性

Tab. 1 Material properties of 304

1.3 框架结构载荷

1.3.1 设备所受载荷

1）自重。

在框架结构力学分析中，相关设备均简化成为质量点。

2）风载。

机组考虑基本风载和台风风载的作用。根据文献[5-6]，风压引起的作用力为：基本风速产生的作用力FJ= 120550 N；台风风速产生的作用力

FT= 230274 N。

计算时分别取模型中x、z 轴方向为风压作用方向。

3）地震载荷。

机组安装在核电厂辅助厂房屋顶，安装高度

为17.678 m，根据文献[7]中对地震载荷的规定，

在机组计算中水平地震加速度取值为0.227g，

g=9.8m/s2为重力加速度。

1.3.2 设备载荷组合与适用的准则级别

根据文献[8]中AA-4212 以及文献[9]的要求，机组框架适用的载荷组合与准则级别如表2 所示。

表2 工况与载荷组合

Tab. 2 Working condition and load combination

根据文献[8]中AA-4300 的要求，基本最大应力理论的弹性分析适用于线性系统的设计。对于线性支撑系统许用应力如表3 所示。

表3 线性支撑许用应力

Tab. 3 Linear support allowable stress

在对机组框架结构的校核中，梁受到轴向拉伸与弯曲组合应力。根据文献[10]中NF3322 的要求，按照表4 中的评定准则进行应力校核。

框架结构连接螺栓及地脚螺栓为 8.8 级

M20 的螺栓，根据文献[10]中 NF3324.6 的要求对螺栓进行校核：螺栓抗拉强度 Su、螺栓屈服强度Sy、螺栓应力截面积 A、螺栓所受轴向拉力 T、螺栓所受最大剪切力 V、轴向应力 ft=T/A、剪应力

fv=V/A。

对于碳钢螺栓，其许用拉应力 Ftb=0.5Su=

400 MPa;许用剪应力 Fvb=0.62Su/3=165.3 MPa; R=(ft)2/(Ftb)2+ (fv)2/(Fvb)2￡1。

2 计算模型介绍

2.1 模型单元

在建立的机组框架的有限元计算模型中，采

用 beam188 单元模拟机组的框架结构，采用 mass21 单元模拟各设备的质量和重心位置，质量单元与框架结构之前采用柔性约束方程进行连接，不考虑设备本身刚度的影响。框架结构的模型中忽略加强角的影响。模型简化会使计算结果更趋于保守。

2.2 模型和边界条件

建模型时，在整体槽钢基座与机组框架底座之间建立梁单元模拟连接螺栓。计算模型的边界条件为：整体槽钢基座螺栓所在位置的节点施加x、y、z 这3个平动方向的自由度约束，整体槽钢基座施加y 方向位移约束。机组整体结构的有限元模型如图2 所示。

3 计算结果

根据1.3.1 节关于风载的描述，将风载引起的作用力均匀施加在框架结构的迎风面，水平地震作用力按照2 个不同方向和自重载荷进行叠加。然后根据文献[8]中关于载荷组合的要求，提取结构在异常工况和事故工况下的轴力和弯矩，并计算出梁对应的拉伸应力和弯曲应力，按照表4 进行校核。通过对计算结果的比较，在各种组合工况下，框架结构立柱和两端横梁受力比较大，更容易遭到破坏，如图3 所示的SEC.1、SEC.2、SEC.3 处，属于框架结构中较危险部位。

4

结果评定

框架结构校核根据文献[8]中对线性支撑的要求，对不同截面形状的梁单元分别进行强度评定。D 级准则下根据表2 分别对自重+地震的D(一)、自重+台风的D(二)这2 种载荷组合进行评定。表5 仅列出了结构中受力比较大的SEC.1、SEC.2、SEC.3 的梁单元在3 种载荷组合下的强度评定。

4.2 螺栓校核

取螺栓在各种工况下最大作用力来校核螺栓由表 6 可见，连接螺栓和地脚螺栓强度满足强度，表 6为校核整体槽钢基座与机组框架底座1.3.2 节中螺栓校核要求。

5 结论

本文通过计算，验证了该风冷冷水机组结构强度和螺栓强度在各种载荷工况下均能满足相关要求。通过对核电厂风冷冷水机组框架结构的力学分析，对机组框架设计提出以下几点建议：

1)机组设备布置时要均匀布置，避免设备重量集中在某一些结构上，尽可能的降低整个机组的重心。

2)从结构抗震设计上，机组框架采用高强度的型钢整体焊接，因此机组具备较好的刚性，建议尽量使机组结构更紧凑。

参考文献

[1] 周伟.风冷冷水机组设备规格书[R].上海：上海核工程设计研究院，2013.

[2] 曾东升.风冷冷水机组设备数据表报告[R].上海：上海核工程设计研究院，2013.

[3] 李晖，王旭.核电厂仪控设备的接地与屏蔽[J].发电与空调，2013，34(4)：27-30.

[4] ASME.Boiler and pressure vessel code： II Part D

properties-materials[S].USA：ASME，2010.

[5] 彭晓平.风和龙卷风在和结构设计准则[R].上海：上海核工程设计研究院，2010.

[6] 张亮亮.核电站固化厂房通风气流控制[J].发电与空调，2013，34(3)：88-90,99.

[7] 孙倩.非抗震机械和电气设备抗震保护设计导则[R].深圳：中国核电工程有限公司，2012.

[8] ASME .Code on nuclear air and gas treatment ：AA[S].USA：ASME，2009.

[9] ASCE/SEI 7-05.Minimum design loads for buildings and other structures[S].USA：ASCE/SEI，2005.

[10] ASME .Rules for construction of nuclear facility components： III Division 1- subsection NF[S].USA：ASME，2007.