某型高压冷却器结构的抗震特性研究_苏文涛.pdf

某型高压冷却器结构的抗震特性研究.某型高压冷却器结构的抗震特性研究苏文涛，胡世宏，冯晓东，潘 振（.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺；.哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨；.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨）摘 要 高压冷却器作为核主泵的辅助设备，主要作用是冷却注入水从而保证轴密封的安全运行。通常将其划分为质保一级、安全一级和抗震 类设备。为了保证其运行的安全性，在设计开发时需进行抗震分析。在所模拟的地震工况下，对高压冷却器本体结构的抗震特性进行了研究。计算了高压冷却器整体结构和内件结构模态，同时基于模态叠加法，对在地震载荷、不同组合加速度、内压等单一载荷作用下及其叠加下的内件结构应力和法兰处的约束反力及力矩进行了分析。结果表明，在研究地震对高压冷却器的影响时，无需对整体结构进行谱分析，只需要对内件结构进行谱分析，因此，通过对地震状态下的所有部件进行评定，表明高压冷却器结构的最大应力满足抗震要求，具备良好的抗震性能。关键词 高压冷却器；核主泵；抗震特性；内件结构；模态分析；模态叠加法；谱分析；地震载荷中图分类号.；.文献标志码 文章编号（），（，；，；，）：，：；基金项目：国家自然科学基金（）前言高压冷却器作为反应堆冷却剂泵（简称主泵）的辅助功能部件，作用是在注入水系统断水情况下，将从一回路引流的高温反应堆冷却剂介质冷却到规定温度以下，以保证轴密封安全运行。鉴于高压冷却器直接与一回路介质接触，通常将其划分为质保一级、安全一级和抗震 类设备。由于其在核电站中工作环境的特殊性，高压冷却器除了受到高温高压产生的.大 电 机 技 术影响外，还需要考虑地震时的振动对冷却器本身造成的影响，因此有必要对高压冷却器的本体结构进行抗震分析。在模拟地震发生的条件下，对结构进行动力学响应分析的方法主要有：随机振动法、时程法和反应谱方法。其中反应谱方法是地震工程中解决线性问题的最基本方法，空间地震振动问题的求解分析主要有积分法和差分法。年，首先提出反应谱方法，在一系列随机的脉冲构成的地震载荷作用下，得到结构自振周期与响应幅值的关系。许多研究人员努力将其应用于更广泛的实际问题中。由于反应谱方法不适用于非线性问题，因此由结构基本运动方程进行积分，求得结构随时间变化的位移等的时程分析法逐步发展起来。许多研究人员基于此法对结构进行了动力学分析。由于地震振动无法用确定的函数表示，但是整体有一定统计规律，随机振动法也被应用于地震。为了保证其运行的安全性，在设计开发时需进行抗震分析。某型高压冷却器整体模态分析.几何模型与等效质量某型高压冷却器整体模型的几何模型如图 和图 所示。图 高压冷却器外部结构几何模型高压冷却器内部模型含圆筒、法兰，工作过程中充满冷却工作介质。为了考虑工作介质质量对高压冷却器振动特性的影响，研究中提出了等效质量的概念，即将工作介质液体质量等效在相应的圆筒、壳体和支座等结构上。等效过程中等效密度的计算公式如公式（）所示。（）图 高压冷却器内部结构几何模型式中，为模型的等效密度，；为高压冷却器内部模型中固体结构的质量，；为高压冷却器工作过程中介质液体的质量，；为分析模型中结构的体积，。根据式（），可以得到高压冷却器各部分的等效密度见表。表 高压冷却器各部分结构的等效密度名称等效密度（）圆筒.壳体.支座.有限元模型与边界条件采用有限元法对高压冷却器模型进行分析，首先对高压冷却器模型进行了有限元离散，采用的单元类型为 单元，整个模型的单元数为，节点数为，离散的有限元模型如图 所示。高压冷却器工作过程中支座固定在基础上。因此，有限元仿真分析中，在支座施加固定约束，具体边界条件示意图如图 所示。图 高压冷却器整体结构的有限元模型某型高压冷却器结构的抗震特性研究.图 高压冷却器的边界条件.结果分析通过计算结构的模态，可以得到高压冷却器整体结构的前六阶固有频率和振型，见表，对应振型如图 图 所示。通过表 可知，高压冷却器内件的前两阶固有频率为.和.，而外壳及整体的固有频率大于。表 模态分析结果阶数频率 主要参与部件.圆筒.圆筒.圆筒、壳体.圆筒.全部.全部图 第 阶、阶振型高压冷却器整体模态分析结果表明，高压冷却器整体结构的第一阶固有频率为.，不在地震谱范围（）内，因此无需对整体进行谱分析，只需要对高压冷却器整体结构进行等效静力学分析。然而高压冷却器内件结构的一阶固有频率为.，在地震谱频率范围内，因此应对该结构进行谱分析。图 第 阶振型图 第 阶振型图 第 阶振型图 第 阶振型.大 电 机 技 术 内件结构模态分析基于高压冷却器整体模态分析结果，下面首先对内件结构进行模态分析，为下一步谱分析做准备。.几何模型与等效质量为了在计算内件固有频率过程中考虑冷却介质的影响，也采用式（）的方法将盘管内的水和部分管外水的质量等效到盘管上，将圆筒内的水等效到圆筒中，得到的等效密度见表。弯管与盘管之间通过 连接，如图 所示。表 内部组件等效密度名称等效密度（）法兰.盘管.圆筒.图 内部组件几何模型.有限元模型与边界条件建立了内部组件有限元模型，其中法兰和弯管采用 单元，盘管采用 单元，整个模型节点数为，单元数为。具体网格划分情况如图 所示。图 内部组件网格模型考虑需要计算法兰的螺栓作用力，将螺栓所在的表面固定。对于上部内件法兰（.号），四个边界位置分别命名为、和（如图 所示）；底部内件法兰（.号），四个边界位置分别命名为、和（如图 所示）。图 内部组件约束条件（.）图 内部组件约束条件（.）.结果分析计算了内件结构的前 阶固有频率，对周期、模态参与因子、有效质量、累积质量系数等进行了分析，从结果文件中可得到、三个方向上最关键的模态阶次及其固有频率，见表。表 关键模态阶次及频率值方向阶次固有频率.内件结构固有频率小于截断频率 的模态共计 阶，前 阶振型以及、三个方向上关键模态阶次振型如图 所示。某型高压冷却器结构的抗震特性研究.图 内部组件第 阶振型（向关键振型）图 内部组件第 阶振型图 内部组件第 阶振型图 内部组件第 阶振型图 内部组件第 阶振型图 内部组件第 阶振型 从高压冷却器内部组件振型图中可以发现，第 阶 第 阶振型均为内层盘管的振动，且第 阶振型为 向关键振型，整个结构沿 向摆动，第 阶为 向关键振型，第 阶为 向关键振型。.大 电 机 技 术图 内部组件第 阶振型（向关键振型）图 内部组件第 阶振型（向关键振型）内件抗震性能分析与评定在地震冲击激励下，通常需要采用完全数值积分方法获得高压冷却器内件的最大响应值，但是此方法计算工作量大，尤其是针对具有复杂管路结构的高压冷却器内件结构，直接积分法需要很长的计算时间和高昂的计算资源。为此，本文采用响应谱分析方法来研究高压冷却器内件在地震冲击激励下的响应特性。在采用响应谱方法分析的过程中，首先通过模态分析获得高压冷却器内件结构的各阶固有频率和振型，如.小节所示。然后基于内件结构的各阶模态，分析各阶模态振动系统在地震冲击时间历程下的最大响应幅值，其中 为对应的模态阶数。由于模态具有正交性，可以求得各阶模态响应叠加后的系统响应：（）其中，为参与系统响应的最高阶模态。.抗震谱分析表 为实际测量所得到的三个方向地震响应谱。基于上述方法，将地震谱施加到结构上，得到内部组件在地震谱作用下的应力云图，如图 所示，并得到两端法兰约束处的约束反力与力矩，见表。图 内部组件谱分析的应力云图表 地震谱.标高 方向（东西方向）方向（南北方向）方向（垂直方向）频率 加速度振动加速度（）频率 加速度振动加速度（）频率 加速度振动加速度（）.某型高压冷却器结构的抗震特性研究.续表 方向（东西方向）方向（南北方向）方向（垂直方向）频率 加速度振动加速度（）频率 加速度振动加速度（）频率 加速度振动加速度（）.表 两端法兰约束处谱分析约束力和力矩位置约束力力矩 （）（）（）.大 电 机 技 术.抗震加速度分析有限元模型与约束条件同前所述，当频率超出 范围时的等效抗震加速度见表。由于地震加速度方向具有随机性，分别对不同加速度正负组合下的应力进行了分析，共有 、等 种情况。通过对不同的地震加速度组合分析，得到在 和 加速度组合下应力最大，且由于该两种加速度载荷对称，所以得到的应力云图相同，如图 所示。图 内部组件在 和 两种抗震加速度载荷下的应力云图.内压分析对结构中法兰、盘管、弯管等处施加侧压力.和标准重力加速度，如图 所示，约束条件保持不变。图 内件载荷施加图 是在内压和重力的作用下，内部组件的应力云图，两端法兰约束处的约束力和力矩见表。图 内部组件静力学应力云图结果表 内压和自重分析约束力和力矩位置约束力力矩 （）（）（）.载荷组合计算及评定将上述谱分析、内压、自重以及地震加速度进行叠加，计算得到总体结构的应力云图如图 所示。评审结果（见表）表明，高压冷却器内件在内压、自重以及地震加速度综合作用下，主要部件的应力计算值满足许用值要求。某型高压冷却器结构的抗震特性研究.图 各载荷叠加作用下结构的应力云图表 主要部件的评定结果零件名称评定项目应力强度 评定结果计算值许用值筒体.合格.合格端盖.合格.合格盘管合格.合格弯管.合格.合格内件法兰.合格.合格圆筒.合格.合格阀支架.合格.合格支座.合格.合格内法兰螺栓.合格固定螺栓.合格注：薄膜应力；弯曲应力；第三强度。结论本文研究了高压冷却器本体结构的抗震性能。高压冷却器整体结构的第一阶固有频率不在地震谱范围内，因此无需对整体进行谱分析，只需要对内件结构进行谱分析。通过对内件结构的模态分析，得到固有频率小于截断频率 的模态以及、三个方向上关键模态。随后分别计算了施加地震谱载荷、不同组合的地震加速度、内压以及重力作用下内件结构的应力云图和法兰处约束力及力矩，结果表明在 和 加速度组合下内件结构应力最大。最后通过对高压冷却器内件在内压、自重以及地震加速度综合作用下的应力分析，结构的最大应力低于材料应力限值，符合使用要求，抗震性合格。参 考 文 献 冯晓东，吴大转，杨立峰，等 轴封式核主泵技术 排灌机械工程学报，（）：冯晓东，苏文涛，马宇，等 主泵高压冷却器盘管的流致振动分析 核动力工程，（）：翟墨 导管架固定平台在地震作用下的动力响应 太原：中北大学，：，（）：，：，：，：.大 电 机 技 术 ，：，（）：，：，：，：，：李云龙，顾晓峰，胡友安 弧形闸门的模态特征及地震时程分析 中国港湾建设，（）：，（）：，（）：周文霞，张继革，王德忠 核电站主泵机组地震响应谱分析及应力评定 原子能科学技术，（）：张贤彪，王东，孙方旭，等 大容量高速电机转子截面突变处刚度特性及等效模型 大电机技术，（）：，（）：，（）：收稿日期 作者简介苏文涛（），年博士毕业于哈尔滨工业大学，研究方向为流体机械流动稳定性和固体颗粒微波流化，副教授。冯晓东（），年博士毕业于哈尔滨工业大学，现从事核主泵的关键技术研究，高级工程师。（通讯作者）