核电站大气释放阀消音器力学分析

0 前言

大气释放阀为二回路关键敏感设备[1]，其配套的大气释放阀消音器是包括结构支撑的，具有消音功能的立式设备，主要由消音器筒体，消音器防雨弯管、底板、防鸟网组件等零部件组成。该设备一般有多台，均安装在核电站厂房顶端，通过锚固螺栓以及预埋钢板固定在顶部平台上。为保证消音器符合设计标准要求需要对大气消音器释放阀的外部结构进行抗震分析。消音器设备距离通风管、墙面、围栏距离均较近，考虑到空间原因，设计上除了采用消音器罩壳外，还在消音器罩壳上加设异形筒体遮雨罩，整体结构如图1所示。底部罩壳与异形筒体焊接连接，遮雨罩开口设置防护网，防止飞鸟或杂物进入。候条件，千年一遇0.6 kPa进行计算，承载面为设备上表面，沿重力方向垂直加载。设计基准风速和风压考虑消音器垂直安装在厂房靠近安全壳一侧的顶部平台上，因此计算时按照当地气候条件取最高处风压1.92 kPa。承载面为设备最大迎风面，沿水平方向加载。流体冲击载荷，消音器出口蒸汽流速约为80 m/s。蒸汽密度约为0.5 kg/m3。根据能量守恒原理，则对应蒸汽压力为：。保守的考虑压力均匀的作用在整个计算模型壳体内壁。

图1 消音器图示

地震载荷，考虑Operating-Basis Earthquake（OBE）级地震和Safety Shutdown Earthquake（SSE）级地震。OBE响应谱取SSE的1/2；SSE响应谱结构阻尼比保守取2%。

2 力学分析要求

2.1 筒体设备应满足条件

该设备评定时按照核3级设备评定，即要求设备在SSE地震下能保证其完整性[2]。准则和相应的应力限值如表1所示：

表1 筒体设备评定应力限制

1 大气释放阀消音器所受载荷

力学分析所考虑的载荷包括：结构自重、雪载荷、风载荷及地震载荷以及消音器出口蒸汽造成的压力。

实际设备重量，消音器上端约1 420 kg，变径筒体部分约为1 100 kg，底板部分约为458 kg，总计2 978 kg。考虑到螺栓重量以及焊接等因素的影响，保守估计计算总质量约为3 000 kg。设计基准雪荷载按照当地气

表中：σm——总体薄膜应力；σb——弯曲应力；

σL——局部薄膜应力；

σm+σb——薄膜加弯曲应力；

S——基本许用应力，该设备按照规范3级设备标准评定，根据RCC-M规范要求需乘以0.85的系数。

2.2 螺栓应满足条件

对于铁素体螺栓评定的应力限制如下：

承受纯拉伸的螺栓紧固件的平均拉伸应力应限制在F tb以内：

承受纯剪切的螺栓紧固件的平均剪切应力应限制在F vb以内：

同时承受拉伸和剪切力的螺栓中，应满足下列方程式：

ft——计算拉伸应力

f v——计算剪切应力

F tb——许用拉伸应力

F vb——许用剪切应力

S u——抗拉强度

对于固定底板的螺栓材料为铁素体不锈钢SA 193 Type B16：

F tb=0.5S u=0.5×862=431MPa

F vb=5S u/24=5×862/24=179.59MPa

对于将筒体固定在底板上的螺栓材料为钢8.8-Zn 5B：

F tb=0.5S u=0.5×830=415MPa

F vb=5S u/24=5×830/24=172.92MPa

2 数值计算

采用有限元方法计算设备在各种载荷下的应力。对于雪载，施加在弯管顶面上。对于风载，施加在水平最大迎风面积上。对于地震作用，计算时采用BLOCK LANCZOS（分块兰索斯法）法提取结构模态[3]，用响应谱法计算结构地震响应，用CQC法对各阶模态和地震三个方向作用分别进行组合[4]，考虑丢失质量对结果产生的影响，同时利用GUPTA算法对结构的刚体响应作出修正[5]。将计算得到的三个方向的结果用SRSS方法组合后，可分别得到OBE和SSE地震对设备的最大响应。

计算模型由4节点SHELL单元组成，整个模型中共有70186个单元。底板通过12个连接螺栓锚固在顶部平台上，施加UX=UY=UZ=0的约束条件，罩盖通过16个连接螺栓与底板固定，螺栓连接处节点进行耦合。雪荷载加在弯管上部表面上，作用力垂直向下。风荷载作用在整体最大迎风面积上，作用力水平。自重加在所有单元上。

3 计算结果与分析

对表1中所列的载荷工况进行组合，求出设备在各工况下的最大应力值，提取计算结果，列出设备在各工况下设备各部件的应力结果。

3.1 模态分析计算结果

对整体结构作模态分析，计算达到截止频率，前15阶模态的频率列于表2中。

表2 整体结构的固有频率及有效质量

3.2 筒体设备应力计算结果

筒体设备包括筒体及封头、接管、管板、法兰等。正常/设计工况下，设备应力分布如图3所示；异常工况下，设备应力分布如图4所示；事故工况下，设备应力分布如图5所示。整理筒体设备在各工况的最大应力得表3。

图3 正常/设计工况设备应力分布/Pa

图4 异常工况设备应力分布/Pa

图5 事故工况设备应力分布/Pa

表3 设备在各工况下的最大应力

由表3可知，设备的应力满足要求。

3.3 螺栓计算结果与评定

罩盖通过16个M30（有效截面积561mm2）螺栓固定在底板上。经计算，得到连接螺栓在各工况下的最大轴力和最大剪力，如表4所示。从而可求得最大轴向拉伸应力与最大剪应力，如表5所示。

表4 罩盖连接螺栓在各工况下的最大受力情况

表5 罩盖连接螺栓在各工况下的最大应力情况

由表5可知，罩盖与底板之间的连接螺栓应力满足要求。

底板通过12个M36（有效截面积817mm2）螺栓固定在基础上。经计算，得到锚固螺栓在各工况下的最大轴力和最大剪力，如表6所示。从而可求得最大轴向拉伸应力与最大剪应力，如表7所示。

表6 底板锚固螺栓在各工况下的最大受力情况

表7 底板锚固螺栓在各工况下的最大应力情况

由表7可知，底板与基础之间的锚固螺栓应力满足要求。

3.4 屈曲分析

根据RCC-M J3200，对厚度6 mm的上部弯管筒体进行屈曲评定，对应的屈曲限制如下：

对上部筒体轴向压缩应力评定如下：

在自重、风载、雪载、正常工况作用下，经计算分析筒体的最大轴向压缩应力为在自重、风载、雪载、异常工况和OBE地震载荷作用下，经计算分析筒体的最大轴向压缩应力

在自重、风载、雪载、事故工况接管载荷和SSE地震载荷作用下，经计算分析筒体的最大轴向压缩应力为：

对上部筒体周向压缩应力评定如下：

在风载作用下，筒体周向应力为：

在雪载作用下，筒体周向应力为：

根据RCC-M J3200，对厚度10 mm的下部变径筒体屈曲评定，对应的屈曲限制如下：

对下部筒体轴向压缩应力评定如下：

在自重、风载、雪载、正常工况作用下，经计算分析筒体的最大轴向压缩应力为

在自重、风载、雪载、异常工况和OBE地震载荷作用下，经计算分析筒体的最大轴向压缩应力

在自重、风载、雪载、事故工况和SSE地震载荷作用下，经计算分析筒体的最大轴向压缩应力为

对上部弯管筒体周向压缩应力评定如下：

在风载作用下，筒体周向应力为：

在雪载作用下，筒体周向应力为：

综合以上计算结果，消音器符合要求，不会造成屈曲破坏。

4 结论

大气释放阀消音器设备设计过程中由于考虑到其安全性及对其他设备的影响，整体结构需要向上延展，造成了其竖直方向高度增加较大，同时由于其位于厂房顶端，结构的不稳定性增加，需要对其进行抗震分析。大气释放阀消音器同时还面临着风、雪等极端气候的影响，内部蒸汽冲击也会对结构产生影响。在大气释放阀消音器结构的力学分析过程中还要考虑屈曲的影响。只有综合考虑以上所有载荷下的分析结果，才能保证其安全有效的运行，提高核电站的在役期间的稳定性。