尤國英， 張智祿， 劉銀芳， 李 逸

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無錫分部， 江蘇無錫 214151；2. 鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司， 江蘇鎮(zhèn)江 212009)

輔助給水泵用1E級發(fā)電機(jī)抗震分析

尤國英1， 張智祿1， 劉銀芳1， 李 逸2

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無錫分部， 江蘇無錫 214151；2. 鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司， 江蘇鎮(zhèn)江 212009)

為了驗證發(fā)電機(jī)能夠承受安全停堆地震(SSE)載荷，并保持其結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，采用有限元法，對某核電站柴油機(jī)輔助給水泵用的1E級發(fā)電機(jī)進(jìn)行抗震計算分析。利用前后處理軟件PATRAN建立了發(fā)電機(jī)的力學(xué)模型，利用有限元分析軟件NASTRAN進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的靜力分析、模態(tài)分析和地震響應(yīng)分析，依據(jù)設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)在重力、操作載荷、地震等多種載荷組合下的應(yīng)力、位移進(jìn)行評定。結(jié)果表明：該發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求。

1E級發(fā)電機(jī)； 輔助給水泵； 抗震分析； 有限元法； 應(yīng)力評定

設(shè)備的安全可靠性是核電站建造時必須關(guān)注的重要問題，世界上一些國家都建立了一整套有關(guān)核電站安全的法規(guī)、導(dǎo)則和規(guī)范[1-3]。設(shè)備的抗震設(shè)計是核電站工程設(shè)計的重要內(nèi)容，必須嚴(yán)格執(zhí)行抗震設(shè)計和鑒定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[4-5]?？拐鹪O(shè)計和鑒定的目的是保證設(shè)備在發(fā)生安全停堆地震時能夠維持結(jié)構(gòu)完整性和可運行性，并執(zhí)行其安全功能。

柴油機(jī)輔助給水泵是壓水堆核電站輔助給水系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，主要由柴油發(fā)電機(jī)組、增速齒輪箱、給水泵等部件組成，在核電站全廠斷電包括喪失應(yīng)急電源或發(fā)生安全停堆事故工況下執(zhí)行安全功能，即由柴油機(jī)驅(qū)動給水泵，向蒸汽發(fā)生器提供足夠的冷卻水，以排除反應(yīng)堆內(nèi)剩余熱量，從而保證反應(yīng)堆堆芯的安全；同時，通過發(fā)電機(jī)向泵房通風(fēng)、冷卻設(shè)備以及輔助給水系統(tǒng)的電動閥供電，以保證輔助給水泵的運行可靠性和獨立性。柴油機(jī)輔助給水泵用的發(fā)電機(jī)屬于1E級電氣設(shè)備，有抗震I類要求，必須經(jīng)過抗震鑒定。

設(shè)備的抗震鑒定方法有試驗法、分析法、經(jīng)驗法和這幾種方法的組合[6]，電氣設(shè)備大多采用試驗鑒定，但也可采用分析鑒定。在設(shè)計階段，分析法有其特殊的優(yōu)越性，通過計算得到結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)和任意位置的地震響應(yīng)，反過來再指導(dǎo)設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。抗震分析通常采用響應(yīng)譜法，但對于第一階固有頻率高于33 Hz的剛性結(jié)構(gòu)，可采用等效靜力法。如文獻(xiàn)[7]采用響應(yīng)譜法對反應(yīng)堆冷卻劑泵進(jìn)行了抗震分析，而文獻(xiàn)[8]采用等效靜力法對核電站屏蔽泵進(jìn)行了抗震分析，但有關(guān)發(fā)電機(jī)抗震分析的文獻(xiàn)較少。筆者采用等效靜力法對柴油機(jī)輔助給水泵用的1E級發(fā)電機(jī)進(jìn)行抗震分析鑒定，為發(fā)電機(jī)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 計算方法

采用有限元前后處理軟件PATRAN[9]進(jìn)行力學(xué)建模及結(jié)果后處理，采用有限元分析軟件NASTRAN[10]進(jìn)行分析求解。NASTRAN軟件作為國際知名的CAE產(chǎn)品，已被廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶及核電等行業(yè)。

采用NASTRAN軟件中的LANCZOS方法計算得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，由于第1階固有頻率大于33 Hz，屬于剛性結(jié)構(gòu)，故采用等效靜力法進(jìn)行抗震計算。等效靜力法是將地震作用等效為靜態(tài)的慣性力，輸入慣性加速度值(通?？紤]1.5倍的放大系數(shù))，按靜力分析的方法計算地震響應(yīng)(應(yīng)力、位移、支反力等)，其結(jié)果偏于保守。最后，依據(jù)ASME III設(shè)計規(guī)范，組合各載荷工況下的應(yīng)力和變形結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力評定和變形校核。

2 力學(xué)模型

2.1 結(jié)構(gòu)描述

該1E級發(fā)電機(jī)的額定功率為136 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/mim，主要由定子、轉(zhuǎn)子和勵磁系統(tǒng)組件等結(jié)構(gòu)組成。定子包括機(jī)座(焊接件)、蓋板、前后端蓋、軸承座、定子繞組等部件，轉(zhuǎn)子包括軸、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子繞組、勵磁機(jī)繞組等部件。發(fā)電機(jī)軸由兩個滾動軸承支撐，軸的材料為45號鋼。前端蓋、后端蓋與機(jī)座之間采用8個M10的螺栓連接。機(jī)座材料為Q235B，兩側(cè)的支架采用6個M16的安裝螺栓進(jìn)行固定。

2.2 材料參數(shù)

發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料為Q235B和45鋼，常溫下材料的力學(xué)性能參數(shù)見表1；發(fā)電機(jī)主要連接螺栓的規(guī)格為M10和M16，其機(jī)械性能參數(shù)見表2。

表1 材料的性能參數(shù) MPa

表2 螺栓的性能參數(shù)

2.3 有限元模型

發(fā)電機(jī)的機(jī)座殼體及支架、隔板、端蓋、軸承座、風(fēng)扇等采用三維板殼單元(SHELL)模擬，軸采用三維梁單元(BEAM)模擬，鐵芯、繞組采用三維實體單元(SOLID)模擬，轉(zhuǎn)子繞組(實體單元)與軸(梁單元)之間采用多點約束單元(MPC)連接。有限元網(wǎng)格共劃分節(jié)點7 652個，結(jié)構(gòu)單元6 545個，另有MPC單元34個。發(fā)電機(jī)的有限元模型見圖1，其中兩側(cè)支架模型中的編號No.1～6表示6個安裝固定螺栓，按鉸支邊界條件處理，約束節(jié)點的三個平動自由度。

圖1 有限元計算模型

2.4 載荷條件

發(fā)電機(jī)受到載荷有結(jié)構(gòu)自重(DW)、運行時扭矩載荷(TN)、運行基準(zhǔn)地震載荷(OBE)或安全停堆地震載荷(SSE)。其中的地震載荷(OBE、SSE)按等效靜力載荷輸入，取1.5倍的樓層響應(yīng)譜最大加速度幅值，按慣性力作用在質(zhì)心。依據(jù)ASME BPVC-III規(guī)范，考慮三種載荷組合工況見表3。

表3 載荷組合工況

3 應(yīng)力和變形準(zhǔn)則

3.1 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

根據(jù)ASME BPVC-III規(guī)范第ND、NF分卷的規(guī)定，對于板殼型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力限值見表4，其中σ1為薄膜應(yīng)力，σ2為彎曲應(yīng)力，S為材料的許用應(yīng)力值，取2/3屈服強(qiáng)度和1/3.5抗拉強(qiáng)度兩者中的較小值。

表4 板殼型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

3.2 螺栓的應(yīng)力限值

根據(jù)ASME BPVC-III規(guī)范第ND、NF分卷的規(guī)定，螺栓的組合應(yīng)力系數(shù)R應(yīng)不大于1，即滿足下式：

(1)

式中：ft為拉伸應(yīng)力；fv為剪應(yīng)力；Ftb為許用拉伸應(yīng)力；Fvb為許用剪應(yīng)力。

螺栓的應(yīng)力限值見表5，其中Su為材料的抗拉強(qiáng)度。

表5 螺栓的應(yīng)力限值

3.3 軸的應(yīng)力和變形限值

對于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，按照材料力學(xué)中的第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，軸的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ合成的當(dāng)量應(yīng)力σd應(yīng)不大于許用應(yīng)力，即滿足下式[11]：

σd= (σ2+3τ2)0.5≤0.4σS

(2)

式中：σS為材料的屈服強(qiáng)度。

為防止轉(zhuǎn)動部件與靜止部件在地震載荷下因結(jié)構(gòu)變形而發(fā)生摩擦，保證發(fā)電機(jī)的運行可靠性，必須對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行限制。依據(jù)發(fā)電機(jī)的可運行性要求，轉(zhuǎn)子與定子間的相對變形應(yīng)不大于初始?xì)庀兜?0%。

4 計算結(jié)果與評定

4.1 固有頻率

典型的模態(tài)振型見圖2(圖中采用二分之一模型顯示)，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的前10階固有頻率見表6。

圖2 發(fā)電機(jī)典型的模態(tài)振型

階次頻率/Hz主要模態(tài)振型173.728發(fā)電機(jī)整體繞Z軸轉(zhuǎn)動287.665勵磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(局部模態(tài))3113.580發(fā)電機(jī)整體(包括轉(zhuǎn)子)沿X軸軸向振動4115.640整體沿Z軸橫向振動,轉(zhuǎn)子水平一階彎曲5121.760整體沿Y軸垂向振動,轉(zhuǎn)子垂直一階彎曲6172.230勵磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(局部模態(tài))7185.040勵磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(局部模態(tài))8190.270風(fēng)扇軸向振動及勵磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(局部模態(tài))9211.590風(fēng)扇軸向振動(局部模態(tài))10213.770風(fēng)扇軸向振動(局部模態(tài))

4.2 應(yīng)力評定

圖3提供了發(fā)電機(jī)在A級、C級載荷工況下的應(yīng)力(σ1+σ2)云圖，可見最大應(yīng)力都發(fā)生在兩側(cè)的安裝支架上。

圖3 發(fā)電機(jī)的薄膜+彎曲應(yīng)力云圖

發(fā)電機(jī)主要部件的應(yīng)力評定結(jié)果分別見表7、表8。數(shù)據(jù)表明，應(yīng)力計算值都小于應(yīng)力限值，滿足強(qiáng)度要求。

表7 結(jié)構(gòu)應(yīng)力評定結(jié)果

表8 螺栓應(yīng)力評定結(jié)果

4.3 軸的強(qiáng)度和變形校核

在C級載荷工況下，發(fā)電機(jī)軸的最大當(dāng)量應(yīng)力為75 MPa，小于允許值142 MPa，滿足強(qiáng)度要求。同時，C級載荷工況下，轉(zhuǎn)子與定子間的最大相對變形為0.047 mm，小于允許值0.13 mm，滿足可運行性要求。

5 結(jié)語

應(yīng)用有限元法對某核電站柴油機(jī)輔助給水泵用的1E級發(fā)電機(jī)進(jìn)行抗震分析，依據(jù)ASME III規(guī)范的要求對發(fā)電機(jī)的主要部件進(jìn)行應(yīng)力評定，并對發(fā)電機(jī)軸的強(qiáng)度和變形進(jìn)行校核。分析結(jié)果表明：該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求，在地震載荷作用下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和可運行性。該分析方法對核電廠設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計和抗震安全評估有一定的參考價值。

[1] 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院, 上海核工程研究設(shè)計院.核設(shè)施部件建造規(guī)則: ASME BPVC-III-2004[S]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2004.

[2] 法國核島設(shè)備設(shè)計、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會. 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則: RCC-M-2000[S]. 中科華核電技術(shù)研究院有限公司, 譯. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2000.

[3] 國家核安全局. 核電廠設(shè)計安全規(guī)定: HAF 102-1991[S]. 北京: 國家核安全局, 1991.

[4] IEEE Power Engineering Society. IEEE Recommended practice for seismic qualification of class 1E equipment for nuclear power generating stations: IEEE Std 344-2004[S]. New York, USA: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2004.

[5] 國家技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國建設(shè)部. 核電廠抗震設(shè)計規(guī)范: GB 50267—1997[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1997.

[6] 國家核安全局.核電廠的抗震設(shè)計與鑒定: HAD 102/02-1996[S]. 北京: 國家核安全局, 1996.

[7] 周文建, 陳宏, 聞邦椿. 核電站反應(yīng)堆冷卻劑泵的地震響應(yīng)分析[J]. 振動與沖擊, 2006, 25(1): 32-35.

[8] 楊曉豐, 張勇, 孫柏濤, 等. 核電站用屏蔽泵的抗震力學(xué)性能計算分析[J]. 世界地震工程, 2007, 23(3): 47-53.

[9] 劉兵山, 黃聰, 顧超, 等. Patran從入門到精通[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[10] 張永昌. MSC.Nastran有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[11] 劉鴻文. 材料力學(xué)I[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2004.

Seismic Analysis on 1E Class Power Generator for Auxiliary Feed Pump

You Guoying1, Zhang Zhilu1, Liu Yinfang1, Li Yi2

(1. Wuxi Branch, No.703 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Wuxi 214151, Jiangsu Province, China;2. Zhenjiang China Marine-Xianda Generating Co., Ltd., Zhenjiang 212009, Jiangsu Province, China)

Finite element method was adopted to analyze the seismic performance of a 1E class power generator for the diesel engine-driven auxiliary feed pump in a certain nuclear power plant, so as to verify that the power generator can withstand SSE load and maintain its structural and functional integrities. A mechanical model was built for the generator based on pre- and post-treatment software PATRAN, while static mechanical analysis, modal analysis as well as seismic response analysis of the structure were then carried out via finite element analysis software NASTRAN. According to the design specifications, structural stress and displacement were evaluated under various load combinations, such as the gravity, operating load, earthquake load and so on. Results show that the structural design of the power generator satisfies the requirements of relevant standards.

1E class power generator; auxiliary feed pump; seismic analysis; finite element method; stress evaluation

2016-04-11；

2016-05-26

尤國英(1964—)，男，研究員，主要從事核電站工程設(shè)計及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

E-mail: ygy703@163.com

TM314.2

A

1671-086X(2017)01-0033-04