錢 浩 徐定耿 楊仁安 梁星筠

（上海核工程研究設(shè)計院工程設(shè)備所 上海 200233）

蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析及參數(shù)敏感性研究

錢 浩 徐定耿 楊仁安 梁星筠

（上海核工程研究設(shè)計院工程設(shè)備所 上海 200233）

蒸汽發(fā)生器是排出反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生熱量的主要設(shè)備，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的一部分。其為抗震I類設(shè)備，須對其進行地震反應(yīng)分析。本文建立了蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析模型，地震反應(yīng)分析模型包含汽水分離器組件和管束組件等內(nèi)件。兩個蒸汽發(fā)生器模型與一回路管道和壓力容器串聯(lián)，進行地震反應(yīng)分析，獲得地震載荷下的應(yīng)力結(jié)果。同時，本文還就地震反應(yīng)分析結(jié)果對各參數(shù)的敏感性做了研究，其中包括另一臺蒸汽發(fā)生器、支撐、抗振條設(shè)置等的影響。研究結(jié)果表明，地震反應(yīng)結(jié)果對設(shè)備支撐和抗振條設(shè)置特別敏感。本文總結(jié)了這些參數(shù)對分析和設(shè)計的指導(dǎo)性意見，供后續(xù)核電站蒸汽發(fā)生器設(shè)計和研發(fā)時參考和關(guān)注。

蒸汽發(fā)生器，地震反應(yīng)分析，參數(shù)敏感性

壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器(SG)是排出反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生熱量的主要設(shè)備，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的一部分。蒸汽發(fā)生器[1]通過傳熱管將反應(yīng)堆冷卻劑從堆芯獲得的熱量傳遞給二次側(cè)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為蒸汽，蒸汽送入汽輪機組發(fā)電。蒸汽發(fā)生器的主要部件為核安全1級或2級、抗震I類、規(guī)范等級ASME B&PVC III NB部件，須對其進行地震反應(yīng)分析。蒸汽發(fā)生器中的萬余根傳熱管處于一二回路邊界，既是設(shè)備關(guān)鍵部件也是薄弱部件，易受流致振動、磨損、腐蝕、地震等的影響而損壞。傳熱管破裂不僅會造成反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)小失水事故而危及反應(yīng)堆安全，而且通過破管泄漏的放射性物質(zhì)將從二回路釋放至環(huán)境。

對AP1000等第三代核電站而言，整體更換蒸汽發(fā)生器成本很高，因為蒸汽發(fā)生器很大，無法從設(shè)備閘門通過。更換時需切割安全殼的穹頂，在穹頂開一個吊裝蒸汽發(fā)生器的圓孔，同時對反應(yīng)堆安全殼環(huán)型吊車起重能力也是個考驗。因此確保蒸汽發(fā)生器在各種載荷下的結(jié)構(gòu)完整性非常重要。

本文對某壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器(包括傳熱管、汽水分離器等內(nèi)部構(gòu)件)進行地震反應(yīng)分析。得到地震反應(yīng)應(yīng)力等結(jié)果，并研究各分析模型參數(shù)和各結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響。對今后開展其他蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析和其他新電站蒸汽發(fā)生器的抗震設(shè)計有一定指導(dǎo)和借鑒意義。

1 設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)簡介

某在建核電站蒸汽發(fā)生器是一個帶有一體化汽水分離裝置的立式U形管殼式蒸汽發(fā)生器。其基本功能為通過U形傳熱管將熱量從反應(yīng)堆冷卻劑傳遞給二次側(cè)兩相汽液混合物，經(jīng)汽水分離裝置后，分離出干飽和蒸汽，將蒸汽送至汽輪機管嘴進入汽輪發(fā)電機組發(fā)電。來自反應(yīng)堆的高溫冷卻劑經(jīng)進口接管進入入口水室，然后進入U形管束，流經(jīng)傳熱管時，將熱量傳給二次側(cè)，冷卻劑經(jīng)出口水室離開蒸汽發(fā)生器。二次側(cè)給水由給水泵輸送至給水接管，通過給水環(huán)分配到管束套筒與蒸汽發(fā)生器外筒體之間的環(huán)形下降通道內(nèi)，在這里與由汽水分離器分離出來的再循環(huán)水混合后，向下流動，在底部經(jīng)管束套筒缺口折流向上，進入傳熱管束區(qū)，沿管間流道向上吸收一次側(cè)的熱量，被加熱至沸騰，產(chǎn)生蒸汽。汽水混合物離開傳熱管束后先進入一級汽水分離器，由此分離出大部分水分，再進入二級汽水分離器。分離出的水向下經(jīng)疏水管，與其他再循環(huán)水混合。經(jīng)二次分離的蒸汽濕度降至0.25%以下，經(jīng)主蒸汽管送往汽輪機。除其穩(wěn)態(tài)熱傳輸功能外，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)提供連續(xù)可用的水量作為吸收一次側(cè)高溫瞬態(tài)的熱阱并包容事故工況。

蒸汽發(fā)生器主要由下封頭、管板、二次側(cè)殼體、管束和汽水分離裝置等部件組成。蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Steam generator (SG) general arrangement (typical configuration).

2 蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析

蒸汽發(fā)生器由于外涉及筒體、封頭、管板等大鍛件，內(nèi)有10025根傳熱管等內(nèi)部構(gòu)件，大至數(shù)米，小到幾個毫米，尺寸跨度頗大，且含有一二級汽水分離器等眾多內(nèi)件。開展地震反應(yīng)分析，必須建立經(jīng)大量合理簡化和等效后的地震反應(yīng)模型，同時需考慮水動力質(zhì)量等效應(yīng)。通過對蒸汽發(fā)生器及其內(nèi)部構(gòu)件進行了地震反應(yīng)分析，可得到蒸汽發(fā)生器外殼及內(nèi)部構(gòu)件的應(yīng)力、力、加速度反應(yīng)，及構(gòu)件之間的連接載荷等結(jié)果。這些結(jié)果將作為蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)和其內(nèi)部構(gòu)件應(yīng)力分析和評定后續(xù)報告的輸入。另外，建立的分析模型，可用于LOCA管道破裂載荷下蒸汽發(fā)生器晃動分析和蒸汽發(fā)生器傳熱管主泵機械振動分析。國外某公司對類似蒸汽發(fā)生器開展了相關(guān)系列分析(技術(shù)文件下文簡稱“文獻”)，本文對部分結(jié)果進行了對比。

2.1單個蒸汽發(fā)生器分析模型

地震反應(yīng)分析模型中，蒸汽發(fā)生器采用有限元管單元、梁單元等單元進行模擬。承壓邊界殼體等管狀部件使用PIPE16單元定義外徑和壁厚，內(nèi)部部件使用BEAM4單元定義等效剛度。

水動力質(zhì)量效應(yīng)參照ASME B&PVC III附錄N[2]，使用質(zhì)量矩陣單元進行模擬。蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析模型見圖2。圖中為了顯示方便，管束圍筒、一級汽水分離器等內(nèi)部部件(中間直線段)進行了外移，以免與承壓邊界殼體和管板(左側(cè)直線段)重疊(地震反應(yīng)分析計算時，位置重疊)。類似的管束組件進行了外移。承壓邊界殼體和管板、內(nèi)部部件和管束組件之間的水平線為模擬水動力質(zhì)量效應(yīng)的質(zhì)量矩陣單元。模型中，一級汽水分離器、二級汽水分離器、泥渣收集器、疏水管等上筒體內(nèi)件組件，傳熱管、抗振條、支承板和拉桿等管束組件均做了模擬。傳熱管和抗振條分析模型如圖3所示。

圖2 蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析有限元簡化數(shù)學(xué)模型Fig.2 Seismic finite element model of SG.

圖3 蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析模型傳熱管彎管段、抗振條等部件的節(jié)點Fig.3 Tube bundle and anti-vibration bars nodes of SG seismic model.

蒸汽發(fā)生器承壓外殼與管束圍筒間狹縫的水動力質(zhì)量效應(yīng)參照ASME B&PVC III附錄N[2]考慮，使用質(zhì)量矩陣單元進行模擬。應(yīng)用ASME B&PVC III附錄N推薦的雙層圓柱殼之間液體的附加質(zhì)量計算公式：

蒸汽發(fā)生器支撐剛度由有限元模型計算得到的局部殼體剛度進行修正：

內(nèi)部構(gòu)件間通過支承銷釘或楔連接的結(jié)構(gòu)，使用剛度矩陣單元進行模擬。例如，套筒上部通過22個套筒支承銷釘與二次側(cè)壓力邊界筒體連接，匹配ANSYS中剛度矩陣單元參數(shù)設(shè)置格式，寫為：其中，K為22個套筒支承銷釘整體剛度。套筒與二次側(cè)壓力邊界的連接結(jié)構(gòu)由上部22個套筒支承銷釘、中部2組各18個套筒支承銷釘、底部22個套筒支承塊組成。一級汽水分離器組件上部中間支撐板處和下部支撐板處通過16合19個楔與二次側(cè)壓力邊界筒體(上筒體)連接，這些連接的處理類似。

2.2含一回路的整體地震反應(yīng)分析模型

兩臺蒸汽發(fā)生器和壓力容器及一回路管道串聯(lián)進行抗震分析。蒸汽發(fā)生器分析模型中進口管和出口管分別與一回路主管道(熱端)和主泵的連接，使用超單元通過一回路子模型連接；另一臺蒸汽發(fā)生器模型，僅考慮外殼，內(nèi)部構(gòu)件和水質(zhì)量附加在外殼上。串聯(lián)了一回路主管道、主泵和壓力容器的蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析模型見圖4、5。其中支撐使用彈簧單元，拉壓彈性系數(shù)相同，故圖中某幾個支撐所示位置可能與實際相反，但不影響計算結(jié)果。

圖4 蒸汽發(fā)生器整體地震反應(yīng)分析模型Fig.4 Seismic model of SG with reactor coolant loop (RCL).

圖5 蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析模型(模型根據(jù)實常數(shù)顯示尺寸)Fig.5 Seismic model of SG (display with elements shapes determined from the real constants).

2.3地震反應(yīng)分析主要結(jié)果

用子空間迭代法進行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型?？芍Y(jié)構(gòu)的第1階固有頻率為1.724 Hz(文獻顯示類似蒸汽發(fā)生器的基頻為1.853 Hz，相差7.4%)，頻率較低，因此，采用譜分析法進行地震載荷下的動態(tài)反應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)在地震載荷下的動態(tài)反應(yīng)值(加速度、位移、力、應(yīng)力等)通過對每個模態(tài)反應(yīng)值用平方和平方根法(SRSS法)進行組合確定。蒸汽發(fā)生器主要結(jié)構(gòu)部件在SSE地震載荷作用下的最大應(yīng)力值列于表1。其中，傳熱管的最大彎曲應(yīng)力，發(fā)生在傳熱管與最高一個支承板連接處，應(yīng)力評定時需重點關(guān)注(類似蒸汽發(fā)生器文獻結(jié)果為260 MPa，相差為1.4%；文獻顯示此處傳熱管應(yīng)力計算值與規(guī)范值之比為97%。)；蒸汽發(fā)生器外殼最大應(yīng)力發(fā)生在上部橫向支撐附近。蒸汽發(fā)生器外殼及內(nèi)部構(gòu)件的力、加速度反應(yīng)、構(gòu)件之間的連接載荷等結(jié)果均可通過分析獲得。

表1 蒸汽發(fā)生器SSE時最大應(yīng)力值(MPa)Table 1 Maximum stress values of SG under SSE seismic loads (MPa).

3 參數(shù)敏感性研究

蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，單個蒸汽發(fā)生器圖紙達328張，且內(nèi)外部接口眾多。研究分析模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響，掌握影響抗震性能的重點和關(guān)鍵點，對今后開展蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析和后續(xù)電站的蒸汽發(fā)生器的抗震設(shè)計有指導(dǎo)和借鑒意義。本節(jié)研究以下參數(shù)(因素)對蒸汽發(fā)生器的地震反應(yīng)結(jié)果的影響。

3.1另一臺蒸汽發(fā)生器的影響

分析計算可知，另一臺蒸汽發(fā)生器對本臺蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析結(jié)果影響很小。且另一臺蒸汽發(fā)生器簡化(僅考慮外殼和附加質(zhì)量)對詳細建模的蒸汽發(fā)生器的分析結(jié)果影響很小(1%以內(nèi))。文獻中另一臺蒸汽發(fā)生器同樣詳細建模，本文對其做了簡化處理。

3.2一回路的影響

蒸汽發(fā)生器x方向(圖4)靠上部橫向支撐和底部一回路主管道約束。一回路主管道相當于起支撐的作用。一回路剛度對蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)影響較大。使用等效剛度(不計及彎曲剛度)代替一回路模型，會產(chǎn)生10%左右的誤差。另外，一回路動態(tài)反應(yīng)對蒸汽發(fā)生器接管載荷有直接影響。

3.3支撐的影響

蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)對支撐剛度非常敏感。特別是本蒸汽發(fā)生器整體頻率在地震譜峰值附近。修改支撐結(jié)構(gòu)或?qū)π抡羝l(fā)生器設(shè)計時，支撐的設(shè)置需格外注意。支撐除了對設(shè)備本身地震反應(yīng)有影響，對結(jié)果載荷的影響也很大。如上部支撐剛度增加一倍，地震反應(yīng)最大應(yīng)力可降低50%。蒸汽發(fā)生器支撐方案修改或新的設(shè)計方案預(yù)計對蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)結(jié)果有較大影響。

3.4保溫層的影響

保溫層質(zhì)量相對設(shè)備質(zhì)量是小量，不同保溫層質(zhì)量對蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)分析結(jié)果影響很小。故分析時考慮一種保溫層質(zhì)量即可。

3.5除進出口管外的系列管道的影響

主蒸汽管、主給水管、非能動余熱排出(PRHR)管等接管產(chǎn)生的剛度，由于相對蒸汽發(fā)生器的支撐而言剛度小很多，對蒸汽發(fā)生器地震反應(yīng)有一定影響，但影響不大。需注意的是，接管載荷由管系分析獲得。

3.6套筒、汽水分離器與外筒體的連接的影響

套筒與二次側(cè)壓力邊界的連接結(jié)構(gòu)由上部22個套筒支承銷釘、中部2組各18個套筒支承銷釘、底部22個套筒支承塊組成。一級汽水分離器組件上部中間支撐板處和下部支撐板處通過16合19個楔與二次側(cè)壓力邊界筒體(上筒體)連接。由于連接支承銷釘和楔較多，整體剛度較剛。分析可知，這些連接若簡化為剛性連接(剛度乘以1000倍)，對地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響不大(各部件應(yīng)力結(jié)果誤差在1%以內(nèi))。

3.7抗振條設(shè)置的影響

本蒸汽發(fā)生器有6組抗振條(國內(nèi)國外某些蒸汽發(fā)生器抗振條為2?3組)。抗振條數(shù)量和排布，影響傳熱管最大跨度；抗振條剛度也影響傳熱管彎管部分整體剛度和固有頻率。其對蒸汽發(fā)生器傳熱管地震反應(yīng)影響很大。根據(jù)文獻[5]，日本有對抗振條設(shè)置修改并更換蒸汽發(fā)生器的案例。因此，新設(shè)計的(特別是擴容后的)蒸汽發(fā)生器抗振條設(shè)置需設(shè)專題研究。

3.8地震反應(yīng)譜的影響

地震反應(yīng)譜變化將直接影響地震反應(yīng)結(jié)果。屏蔽廠房混凝土規(guī)格和結(jié)構(gòu)不一致將導(dǎo)致反應(yīng)譜變化。電站擴容，廠房結(jié)構(gòu)放大，可能造成地震反應(yīng)譜整體一定幅度上升。這些變化需格外關(guān)注。蒸汽發(fā)生器傳熱管彎管部位通常應(yīng)力較大，是危險部位。

3.9局部殼剛度的影響

橫向支撐剛度需考慮局部殼剛度的修正，這是由于梁模型不能計及殼體剛度且支撐剛度相對殼體局部剛度在同一量級。主蒸汽管等接管(以及更小的接管)相對殼體較柔，殼體相對為剛性，可不考慮局部殼剛度。以上地震反應(yīng)分析結(jié)果對各參數(shù)的敏感性，匯總于表2。

表2 地震反應(yīng)分析結(jié)果對各參數(shù)的敏感性Table 2 Seismic analysis results of SG seismic analysis and parameter sensitivity.

4 結(jié)語

本文基于某新型在建核電站蒸汽發(fā)生器，建立其地震反應(yīng)分析模型，與一回路管道和壓力容器串聯(lián)，進行地震反應(yīng)分析。地震反應(yīng)分析模型包含一級汽水分離器、二級汽水分離器、泥渣收集器、疏水管等上筒體內(nèi)件組件和傳熱管、抗振條、支承板、拉桿等管束組件的建模模擬。整個分析過程獨立進行，諸多模型處理和簡化方法比相關(guān)文獻更簡便和直觀。關(guān)鍵性中間和最終結(jié)果如固有頻率和最大應(yīng)力等，與文獻結(jié)果做了對比，差別很小，可見把握好關(guān)鍵影響因素，可使分析計算更加合理。同時，本文對地震反應(yīng)分析結(jié)果對各參數(shù)的敏感性做了研究，其中包括另一臺蒸汽發(fā)生器、支撐、抗振條設(shè)置等的影響，做了分類和敏感性程度分析，并總結(jié)了這些特性對分析和設(shè)計的指導(dǎo)性意見。本文掌握了影響蒸汽發(fā)生器抗震性能的重點和關(guān)鍵點，對今后開展類似蒸汽發(fā)生器的地震反應(yīng)分析和后續(xù)電站的蒸汽發(fā)生器的抗震設(shè)計有一定指導(dǎo)和借鑒意義。

致謝感謝張可豐、應(yīng)秉斌等同事在工作中提供的幫助。

1 孫漢虹, 程平東, 繆鴻興, 等. 第三代核電技術(shù)AP1000[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010 SUN Hanhong, CHENG Pingdong, MIAO Hongxing, et al. Gen III nuclear power technology AP1000[M]. Beijing: Chinese Electric Power Press, 2010

2 ASME Boiler and Pressure Vessel Code[S], Section III, Rules for Construction of Nuclear Facility Components. New York, 1998

3 Fritz R J. The effect of liquids on the dynamic motions of immersed solids, transactions of the ASME[J]. Journal of Engineering for Industry, 1972, 2: 167?173

4 Moretti P M, Lowery R L. Hydrodynamic inertia coefficients for a tube surrounded by rigid tubes, transactions of the ASME[J]. Journal of Pressure Technology, 1976, 8: 190?193

5 汪勝國. 國外壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器更換現(xiàn)狀及技術(shù)開發(fā)[J]. 國外核動力, 1996, (3): 23?31 WANG Shengguo. Replacement status and technology development of steam generator of foreign pressurized water reactor[J]. Foreign Nuclear Power, 1996, (3): 23?31

Seismic analysis of steam generator and parameter sensitivity studies

QIAN Hao XU Dinggeng YANG Ren’an LIANG Xingyun
(Department of Component Research and Design, Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: The steam generator (SG) serves as the primary means for removing the heat generated within the reactor core and is part of the reactor coolant system (RCS) pressure boundary. Purpose: Seismic analysis is required for SG, whose seismic category is Cat. I. Methods: The analysis model of SG is created with moisture separator assembly and tube bundle assembly herein. The seismic analysis is performed with RCS pipe and Reactor Pressure Vessel (RPV). Results: The seismic stress results of SG are obtained. In addition, parameter sensitivities of seismic analysis results are studied, such as the effect of another SG, support, anti-vibration bars (AVBs), and so on. Our results show that seismic results are sensitive to support and AVBs setting. Conclusions: The guidance and comments on these parameters are summarized for equipment design and analysis, which should be focused on in future new type NPP SG's research and design.

Steam generator, Seismic analysis, Parameter sensitivity

TL353+.13，TB12

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040603

錢浩，男，1982年出生，2006年于上海大學(xué)獲工程力學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)從事的專業(yè)：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-10-31，

2013-01-18

CLC TL353+.13, TB12