核电泵的抗震指标

四、抗震指标
抗震指标是用来衡量具有抗震要求的设备在经历安 全停车地震期间或其后，是否可以按要求正常工作的能
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技术与应用
进行计算，其载荷组合应小于表 - 的应力限值。
时，而不考虑高阶模态的余量因子，则需数学建模，进 行详细动态分析。模型包括集中块状模型、柱状模型、 三维立体模型等。 最早在美国，而目前在国内一些专业院所也可用一 些计算机程序来做动态分析，如用 >?@A? 程序建模，用 ?7BCB、 DB> . 7?B@E?7、 ?FGHE . BIJKL B?8 等 有 限 元 软
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图 , 单自由度振子
一般可通过以下三种方法获得。
!" 分析法（静态或动态分析）
用分析法衡量一个泵机组是否合格的第一步是确定 泵机组的刚度。若机组最小固有频率高于 00"#（即零周 期加速度） ，则机组被认为是刚性的，反之则为挠性的。 所以在进行指标分析之前，必须利用模态分析或试验法
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在接受其支点所给一定时间振动输入内的最大响应（包
图 # 自由度示意
括加速 度、速 度、位 移） ，横 坐 标 为 振 子 的 固 有 频 率 （或固有周期）的曲线图。如图 ’ 所示，表示了一系列 01 、!1 、)1 和 #01 临界阻尼的一组响应谱图，振动 接受时间为地震的发生时间。它用的是三对数坐标纸， 图中只显示了有限数量的一些单自由度振子（通常需要 不少于 *0 个振子方能准确做出一个响应谱） 。
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三、几个相关定义
（/）阻尼 振动系统中的能量损耗。它与很多因素 有关，包括材料特性、应力水平和几何特性等，将地震
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五、结束语
干气密封的制造成本远高于机械密封，但是它能解 决机械密封所不能解决的问题、而且运行维护费用低， 特别是在高度强调健康、安全、环保的今天， 1,—)"/ 的密封改造正说明了这一点。目前，该厂还有四台进口 气体离心压缩机使用机械密封或浮环密封，其同样存在 安全与环保问题，不妨参照 1,—)"/ 的密封改造，以此 来提高设备的本质安全和力学性能，提高使用寿命，提 高可靠性，确保装置的长周期的稳定运行。 （收稿日期：!""7 3 "* 3 "*）
二、抗震等级
反应堆内核安全 /、!、) 级机械设备以及 /- 级电气 设备均要达到抗震 0 类要求，其他设备为非 0 类抗震。 /）主密封泄漏气去火炬管线（ 12 3 1*）的压力报警 连锁 4.5，如改用三取二系统取代单表系统，可防止因 仪表本身原因造成误连锁。 !）取消压缩机出口气供气管线（ 1/）上的电磁阀 .6 及其控制程序，以防电磁阀及其控制程序失效，造成 该管线无法供气。建议在电磁阀的位置上加装闸阀，为 其上游的单向阀提供检查与检修的便利。 )）在氮 气 供 气 管 线（ 1/’）单 向 阀 的 下 游 加 装 闸 阀，为拆装盲板提供安全，同时为单向阀提供检查与检 修的便利。
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向某一个方向拉伸，然后释放，此时产生振动的频率即 为固有频率。 （*）地震 分为基本运行地震和安全停车地震两
运动形势的输入能量转变为热量、声波或其他能量形式 的结果。为便于分析，阻尼假定为黏性的，即其大小与 速度成正比，方向与速度方向相反。临界阻尼是使一个 振动系统停止振动的最小阻尼，为便于分析，阻尼通常 表示为临界阻尼的百分比。 （!）自由度 为充分描述一个结构或部件运动所需 的坐标数。一个节点有 " 个自由度，由三个平动和三个 转动 自 由 度 组 成。 如 图 # 所 示 的 !$，!%，!&，"$，
注： !4 为总体薄膜应力，为所考虑的实体截面的平均应 力，不包括不连续应力和应力集中效应，仅由压力和
图 ! 卧式泵整体模型
其他机械载荷引起的应力；!2 为局部薄膜应力，与
获得地震应力和变形后，还必须考虑由于这种载荷 施加在其他设备上的应力和变形，以确定可行性。
!4 相同，不包括连续应力；!6 为弯曲应力，为所考
的可靠性和安全性提出了更高的要求。核电泵应通过设计、分析和鉴定来证明在地震及其他载荷的共同作用 下，保证结构的完整性和可运行性。介绍了不同用途和安全级核电泵的抗震要求。
【关键词】 核电泵 安全 抗震 指标
一、前言
国家发展改革委员会已制订我国核电发展民用工业 规划，预计到 !"!" 年我国电力总装机容量为 # 亿 $% ・ &， 核电的比重将占电力总容量的 ’( ，即达到 ) *"" 万 $%， 也就是说，到 !"!" 年我国将建成 ’" 座相当于大亚湾规 模的百万千瓦级核电站。 满足抗震要求的核级泵机组设计时应考虑正常设计 载荷、接管载荷、地震载荷以及压力和温度变化的瞬态 载荷。地震载荷是根据该泵机组所在建筑物楼层的楼层 反应谱及其自振频率来确定水平方向及垂直方向的地震 载荷，地震载荷分为运行基准地震（ +,-）载荷和安全 停堆地震（ ..-）载荷。
（’）有限元法 其涉及到对一个部件和结构的理想 化假设。例如，把一个泵看作是一个有限尺寸元素的集 合，这种数学模型可以概括为集中质量模型、壳体元素 模型、三维固体模型或三者的结合。图 ! 是典型的卧式 泵壳体元素模型。
图 ! 典型卧式泵有限元网格
注：其中泵和电动机采用集中质量模型，而底座采 用壳体元素模型。 （(）加速度 层面加速度指结构层或设备安装位置 的加速度。地面加速度是由于地震运动而产生的加速 度。 （)）模态分析 这是一种动态分析，一个振动系统 的响应可看成为系统中各模态形式响应的合成。 （"）固有频率 一个物体的固有频率是由自身的物 理特性决定的，当它被限制或固定在某一个点时，使其
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核电泵的抗震指标
大连苏尔寿泵及压缩机有限公司 中国石油天然气股份有限公司大连分公司 【摘 （辽宁 （辽宁 !!""##） !!""#!） 鞠红慧 史运贞 潘立斌
要】 核电泵与普通泵的最大区别在于强调压力边界的完整性和在特殊工况下的可运行性，对泵
意，可进行简化动态分析。它与静态分析区别在于使用 不同的地表动态加速度值，地表动态加速度为响应谱线 上相对于基础固有频率对应的加速度值再乘以 ’(,。若 基础固有频率未知，则把响应谱线的最大加速度值乘以 ’(,。采用 ’(, 系数是考虑到可能有高阶模态而留有的余 量。 （0）详细动 态 分 析 若用静态分析不能满足要求
抗震 0 类是指能够承受地震、水灾等自然灾害，飞机坠 楼等人为灾害和发电机组断裂的高能飞射物袭击灾害而 能保证系统完整性、排出堆芯余热、安全停堆并限制各 种放射性物质释放在容许的范围内。非 0 类抗震的泵在 安全停车地震中不要求正常工作，可分为两类。 /）若该泵不能工作或结构发生变形时，将使 0 类抗 震设备或系统不能正常运行。即在设计此类泵时不能发 生总体失效和过度变形。其分析方法和地震输入应与抗 震 0 类设备的方法是一致的。 !）若该泵不能工作或结构发生变形时，将不会影 响到任何 0 类抗震系统或设备。这类泵的抗震要求（若 有的话）是在较轻地震工况下给出的。
图 5 频率对响应位移、速度和加速度的影响
来确定泵机组的固有频率。 获得泵机组的刚度后，就可以选择下面任一种分析 方法进行分析。 （’）静态分析 若认为设备是刚性的，则可用静态 地震分析来确定在地震动载荷作用下设备的应力和变 形。动载荷为机组质量乘以最大地面加速度（或从响应 谱中得到零周期加速度） ，作用在机组的重心上，再将 各个加速度下的应力平方和开平方，就得到总的动应 力。总弯曲的计算法相同。 （!）简化动态分析 若设备为挠性的，并经用户同
表 ! 核电泵的工况
工况条件 设计 . 正常 载荷组合 /0 1 %2 1 %"3 1 %"3 1 "#$ 1 %"3 1 %%$ 扰动 /0 1 %2 应急 /0 1 %2 事故 /0 1 %2
件进行模态分析处理。例如对于卧式单级单吸离心泵在 建模时，根据泵部件的几何特点，统一 考 虑 泵 壳、轴 承、电动机和底座，采用梁单元和壳单元建模。泵体、 轴承座及电动机壳布置在同一轴线上。底板、电动机壳 和支脚用壳单元描述；泵壳、泵轴、轴承箱、电动机轴 和联轴节用梁单元描述。参见图 !。
图 ’ 不同阻尼率下的响应谱 （#23 4 5 6 070!) (84 5； ! 6 97/0*84 5!）
为了理解如何使用图 ’，在图 ( 中给出了以 01 的临 界阻尼时的响应谱。假设一个一维自由度振子的频率是
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!"#，在地震记录时质点 的 最 大 位 移 $%&（ ’$()*+）时， 最大速度是 ,-%& . /（ ’(!$+ . /） ，最大加速度是 ! ! ， ! 为 。通过 !"# 点画出一条 重力加速度 0!12 . /! （ 3()-$+ . /! ） 与频率轴垂直的直线，然后通过这条线和响应谱线的交 点画一条平行于加速度线组的线，这时就可得 " 4 ! ! ， 最后再通过交点画一条垂直于速度轴的直线，即得到速 度为 ,-%& . /（’(!$+ . /） 。 力。
注： /0 为设计压力和温度； %2 为设备自重和所有稳态接 管载 荷； %"3 为 应 急 工 况 下 瞬 态 （或 冲 击 ） 载 荷； "#$ 为运行基准地震； %%$ 为安全停车地震。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ表"
工 况
应力准则
应力极限（最大正应力）
设计及正常运行工况 扰动工况 应急工况 事故工况
（ !4!,5( ! ， !4 或!2） 1!6!,5& ! （ !4!,5, ! ， !4 或!2） 1!6!,5& ! （ !4!,5( ! ， !4 或!2） 1!6!,5& ! （ !4!,5( ! ， !4 或!2） 1!6!,5& !
种。基本运行地震（ +,-）是在电厂正常操作寿命内可 预见到的对电站产生影响的地震。在对人员健康和安全 无危险的前提下，系统及其部件的设计应保证它们在承 受由于基本运行地震而产生的地面运动时，还要连续运 转和正常运行。安全停车地震（ ..-）是一种强烈地震， 是泵部分结构、系统和部件设计能接受的最大地表振 动。这些结构、系统及部件必须确保反应堆冷却器压力 边界的完整性；同时能关闭反应堆并使它保持安全停车 状态；而且能阻止或减轻可能导致放射性材料泄漏到现 场以外的事故。 （/）响应谱 纵坐标为阻尼的一维自由度的振子，
振子的振动频率会随着支撑杆的长度变化而变化，如图 , 所示。阻尼效应的模拟可用缓冲器来实现，它可任意 设置阻尼系数。当缓冲器的阻尼系数在低于临界阻尼的 ’-< = ’,< 时，它对单自由度振子频率的影响很小，而 用于高阻尼时的影响却很大，当缓冲器的阻尼系数设置 为临界阻尼的 ’--< 时，振子具备刚体特性，和支撑件 运动一致，没有振幅。
（3）单自由度振子 是由一个支撑杆和弹簧在一个 节点支撑，且质量也集中在这一点的振动系统。若单动 态自由度是沿着杆的轴线，则振子频率为： # $ 式中 ’ ! !
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— —频率，单位为 / 6 ’ 或 "#； #— — — ’( ) * ，弹簧的刚度，单位为 7 . ++； %— — —支撑杆的杨氏模量，单位为 89； ’— — —支撑杆的截面积，单位为 ++! ； (— — —支撑杆的长度，单位为 ++； *— — —质量，单位为 :;。 &— 假设建立后，若保持 ’ 、 ( 和 & 不变，则单自由度
虑实心截面应力线性变化部分，不包括不连续应力， 应力集中，只是由机械载荷产生的应力； ! 为材料许 用应力。见 *%+$ 规范表 , 的 75( 和 85(，按设计温度 取值。
!" 在模拟地震条件下对设备进行试验