核电站用泵的抗震分析

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大连大学 二、地震的输入及抗震分析要求

地震输入其实就是确定地震时设备所在标高楼层图1 楼层反应谱

地震谱通常分为O B E（运行基准地震楼层反应

【摘 要】析的重视。

【关键词】分析

一、前言

加”——“A

醒核电站一定要重视设备的抗震性能。

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谱）和S S E（安全停堆地震楼层反应谱），或者叫S L1（运行安全地震楼层反应谱）和S L2（极限安全地震楼层反应谱）。谱线中有将X 、Y 、Z 方向分别描述的，也有在一张谱线中体现的。每张谱线通常会包含五条阻尼曲线，分别为临界阻尼的2%、4%、5%、7%和10% 。对于泵产品O B E的阻尼比值通常是临界阻尼的2%，而SSE的响应值小于或等于OBE的2倍。

抗震分析的目的在于证明泵设备在O B E和S S E地震期间或之后，能保证结构完整性，包括承压边界完整性以及泵的可运行性。通常要求如下分析。

1）承压部件即泵壳及轴承座部件的完整性。2）泵支撑件和连接螺栓以及地脚螺栓满足强度要求。3）在运行工况、地震和最大接管载荷共同作用下，保持可运行性，在转动件与静止件之间的相对变形应小于它们之间的间隙，不影响运转。

抗震分析也可以帮助分析泵壳承压边界应力分布、泵转子系统应力分布、泵体、轴承箱和底座的抗震分析等。从这个角度理解抗震分析可以作为设计验证的一种方法。

三、抗震分析程序、机构和方法

国内目前采用的抗震分析都是通过计算机模拟实体进行有限元分析，而多数泵制造厂没有该方面的程序或者程序不够权威或专业，所以只能求助于各大科研院所和核电设计院。仅以清华大学为例，根据泵厂提供的设备设计制造图样，采用三维C A D软件建立泵的几何模型，在MSC.Patran软件中建立泵的有限元分析模型，采用MSC.Nastran有限元程序进行抗震分析，并根据分析结果来校验泵各部位是否满足上述抗震要求。M S C.Nastran和MSC.Patran均是当前国际上比较权威的结构分析软件，被我国相关审查机关所认可。早期也用Super S A P w i n d o w s，它是美国A L G O R公司开发的一个结构分析程序。

四、分析过程

1.计算模型的建立

利用有限元分析程序进行分析首先要构建模型，建造的模型要与程序中的数学基础相符合，规定的假设条件尽可能与真实设备结构相近，模型的单元划分要合理。根据泵体、轴承箱和底座的几何结构特点，将其简

化成若干集中质量单元、梁单元和实体单元，然后建模。以大连苏尔寿泵及压缩机有限公司承制的设备冷却水泵为例，将叶轮、耐磨板和连轴器等作为集中质量处理；泵体、轴承箱在同一轴线上，泵轴用梁单元来模拟；泵体、轴承箱和底座都用实体单元描述。实体网格采用10节点4面体单元，包含泵体、出入口法兰、轴承箱和底座。泵体内水的质量被平均分配到泵体上。泵轴上相连的部件按照相应的集中质量表示，整个模型共有2个质量单元，54个梁单元，171 839个实体单元，300 044个节点。另外在两个法兰上还有两个多点约束单元，用于向法兰施加接管载荷中的3个力矩。有限元网格模型如图2所示。

图2 有限元网格模型

2.模态分析

抗震计算的第一步是对结构进行模态分析，以了解结构的基本动力学特性。对上面描述的有限元模型进行模态分析，得到其前5阶或10阶固有频率和各震形图。卧式泵结构简单，壳体等部件通常其基频（最低共振频率）高于截断频率 (其值通常接近33H z)，可认为其是刚性的；而立式泵的结构复杂，常有较大的偏心质量，固有频率较低，不能假设它们是刚性的。泵的1阶固有频率大于截断频率，振型图为整体振型，可判定其为刚性设备， 根据核安全法规H A F0215，对刚性设备进行抗震分析时可以采用等效静力法。

按照楼层反应谱，读取零周期时X 、Y 、Z 方向的加速度。进行地震分析时，将3个方向的加速度乘以安全系数1.5后，以惯性力方式加载在质心。

3.材料特性、应力极限准则和载荷组合

核电站用泵的各部件的材料的力学性能参数不

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能直接被取用，要按照根据A S M E—Ⅲ—1附录或者RCC—M—附录ZIII300相关规定选用，以核安全三级泵为例材料的许用应力S 应取下列数值中的最小值。

1）室温下规定的最小抗拉强度的1/4。2）设计温度下抗拉强度的1/4。3）室温下规定的最小屈服强度的2/3。4）设计温度下屈服强度的90%（奥氏体钢）。5）设计温度下屈服强度的2/3（碳钢和低合金钢)。

而应力评价准则也应该按A S M E—Ⅲ—1—N D或R C C—M C3383中相关规定执行，以核安全三级泵为例材料的应力极限准则见表1。

表1 材料的应力极限准

注：σm 为总体薄膜应力或者一次薄膜应力；σb 为弯曲应力。

不难看出O及A级是最安全的。而设备的载荷有多种组合，不同的组合对应上述不同级别的应力极限，这在买方的设备采购技术规格书中根据设备的抗震类别会有明确的规定。作抗震分析时通常是选用最苛刻的载荷组合计算，而采用最安全的应力极限等级评定，既简化分析过程，同时分析结果更安全。

4.分析结果

经过上述的准备，有限元分析程序能够得出形象

直观的应力分析结果（如图3）和变形结果（如图4），既有整体的分析结果，也有零部件的分析结果，能完全覆盖前面抗震分析要求的内容，图片量很大，这里仅截取两图来说明分析结果的输出形式。

图4 变形分布图

五、分析结论及抗震分析的包络

根据上面的结果和应力极限准则，不难得出抗震分析的结论。当结论为不合格时也能判断出应该在何部位补强，进行补强设计后刷新模型再进行有限元分析，直至得到合格的结论。

经过抗震试验或分析验证后的产品，再重新提供给其他买方时可以通过抗震分析包络的方法来证明其适用性。

参考书目

[1]核工业标准化研究所.RCC—M.1册[S]. 北京：中国标准出版社，2000.

[2]核工业标准化研究所.RCC—M.2册[S]. 北京：中国标准出版社，2000.

[3]ASME锅炉及压力容器委员会材料分委会. ASME—III—I—附录[S]. 中国《ASME 规范产品》协作网，译. 北京：石油工业出版社，2001.

[4] ASME锅炉及压力容器委员会材料分委会. ASME—III.ND分卷[S]. 中国《ASME 规范产品》协作网，译. 北京：石油工业出版社，2001.

O及A级应力限值σm ≤1.0S σm +σb ≤1.5S B级应力限值

σm ≤1.1S σm +σb ≤1.65S C级应力限值

σm ≤1.5S σm +σb ≤1.8S D级应力限值

σm ≤2.0S σm +σb ≤2.4S

图3 应力分布图