李 華，孟祥蓋，霍嘉杰，邵 睿，繆 嶺

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

在核電站中，安全殼作為防止放射性物質(zhì)泄漏的最后一道屏障，它的密封性和安全性對(duì)減少核事故對(duì)環(huán)境的影響起著至關(guān)重要的作用[1，2]。人員閘門是安全殼上的貫穿件，為人員和小型設(shè)備進(jìn)出安全殼提供通道。

人員閘門作為安全殼壓力邊界的一部分，承擔(dān)著外界大氣環(huán)境與安全殼的隔離作用，需要具備密封性和安全性，保證人員閘門的結(jié)構(gòu)完整性和功能性。人員閘門除了供人員和小型設(shè)備在反應(yīng)堆運(yùn)行及熱停堆時(shí)通過，還必須滿足事故工況下人員緊急撤離的要求[3，4]。因此，對(duì)人員閘門在設(shè)計(jì)中對(duì)于事故工況下結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究有著重要意義。

1 模型的建立

1.1 人員閘門的幾何模型

人員閘門為鋼制筒型結(jié)構(gòu)，由一個(gè)圓柱形鋼殼、兩端門框和門板組成。筒節(jié)分為3段，包括內(nèi)筒節(jié)、貫穿筒節(jié)和外筒節(jié)，貫穿筒節(jié)的貫穿錨固定在反應(yīng)堆安全殼上，并與安全殼襯里焊接相連。

除了構(gòu)成安全殼承壓邊界的筒節(jié)等部件外，人員閘門還包括升降底板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)等部件。在抗震計(jì)算中，為了簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，除了人員閘門主要承壓部件，其余部件未考慮，相當(dāng)于忽略了機(jī)構(gòu)增加的剛度，但是將其質(zhì)量均攤到設(shè)備上，加大了質(zhì)量載荷，降低了設(shè)備基頻，是保守的考慮。而其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算中工況載荷沒有附加影響。因此，模型簡(jiǎn)化合理。人員閘門整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

圖1 人員閘門整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The model of the personnel air lock

在有限元分析中，建立有限元模型是關(guān)鍵，而其中進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，必須選取合適的單元[5]。根據(jù)人員閘門的幾何結(jié)構(gòu)，雖已簡(jiǎn)化內(nèi)部傳動(dòng)構(gòu)件，但由于人員閘門貫穿安全殼內(nèi)外整體結(jié)構(gòu)過大，若全部采用實(shí)體單元建模，將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量過多，加大建模難度和計(jì)算機(jī)復(fù)雜性?？紤]到人員閘門筒節(jié)和門板等均為典型的薄殼結(jié)構(gòu)，采用殼單元模擬既可以簡(jiǎn)化模型又能顯著減少計(jì)算量[6，7]。因此，本文在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)采用SHELL181單元建立人員閘門的整體殼單元模型。只在對(duì)內(nèi)、外筒節(jié)進(jìn)行局部抗震分析時(shí)，采用SOLID185 單元分別建立內(nèi)、外筒節(jié)局部實(shí)體模型。

1.3 載荷及位移邊界條件

人員閘門貫穿筒節(jié)部分內(nèi)嵌于安全殼混凝土中，該部分在整體結(jié)構(gòu)分析時(shí)剛性固定約束；內(nèi)外筒節(jié)局部分析時(shí)，與安全殼連接處筒體邊界剛性約束[8]。人員閘門整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2 人員閘門整體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 The finite element model of the personnel air lock

模型中考慮人員閘門自重載荷時(shí)，將其內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件的重量均布于筒節(jié)行走平臺(tái)下的部分,將門板上各機(jī)構(gòu)附件的質(zhì)量均攤在門板上，人員和小型設(shè)備等通過時(shí)的載荷作為集中力施加在通道底板支撐結(jié)構(gòu)上。

人員閘門作為安全殼壓力邊界的一部分，需要承受安全殼內(nèi)部正常運(yùn)行時(shí)的壓力，甚至事故工況下的壓力。本文抗震計(jì)算中考慮事故工況下安全殼內(nèi)壓力載荷和SSE 地震載荷。同時(shí)，由于人員閘門存在內(nèi)門或外門打開的情況，因此，需要分別對(duì)各種情況下內(nèi)、外筒節(jié)進(jìn)行局部抗震分析。人員閘門內(nèi)、外筒節(jié)局部模型如圖3和圖4所示。

圖3 人員閘門內(nèi)筒節(jié)局部模型Fig.3 The finite element model of the internal sleeve

圖4 人員閘門外筒節(jié)局部模型Fig.4 The finite element model of the external sleeve

由于人員閘門聯(lián)鎖設(shè)定要求，除了在冷停堆時(shí)內(nèi)、外門不可同時(shí)打開，所以，在局部抗震分析中需要考慮人員閘門內(nèi)門打開外門關(guān)閉、內(nèi)門關(guān)閉外門打開和內(nèi)門外門同時(shí)關(guān)閉3種情況。事故工況下，當(dāng)人員閘門內(nèi)門打開外門關(guān)閉時(shí)，對(duì)外筒節(jié)局部模型施加內(nèi)壓0.42 MPa；當(dāng)內(nèi)門關(guān)閉外門打開和內(nèi)門外門同時(shí)關(guān)閉時(shí)，內(nèi)筒節(jié)局部模型施加外壓0.42 MPa。

局部抗震分析中SSE地震載荷采用人員閘門安裝標(biāo)高處的樓層反應(yīng)譜作為計(jì)算輸入，各個(gè)方向的加速度及響應(yīng)頻譜值如表1和表2所示。

表1 水平方向樓層反應(yīng)譜數(shù)值Table 1 Horizontal floor response spectrum

表2 豎直方向樓層反應(yīng)譜數(shù)值Table 1 Vertical floor response spectrum

2 模態(tài)分析

通過對(duì)人員閘門整體殼單元模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到其第一階頻率為49.0 Hz，第二階頻率為49.1 Hz，前兩階陣型如圖5 和圖6 所示。由圖可知，前兩階陣型中主要為人員閘門外筒節(jié)部分振動(dòng)，且由于其內(nèi)部所有傳動(dòng)部件的重量均布于行走平臺(tái)下的筒節(jié)部分，可以看出筒節(jié)下部振動(dòng)更為明顯。

3 人員閘門局部抗震分析

由模態(tài)分析結(jié)果可知，人員閘門第一階頻率大于截?cái)囝l率。因此，可以采用零周期加速度進(jìn)行抗震計(jì)算[9]。本節(jié)分別對(duì)人員閘門內(nèi)、外筒節(jié)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，研究事故工況下各種情況時(shí)人員閘門的抗震性能。

圖5 人員閘門整體結(jié)構(gòu)一階陣型Fig.5 The first modal of the personnel air lock

圖6 人員閘門整體結(jié)構(gòu)二階陣型Fig.6 The second modal of the personnel air lock

3.1 載荷及位移邊界條件

事故工況下，人員閘門內(nèi)門打開外門關(guān)閉時(shí)，內(nèi)筒節(jié)內(nèi)外壓力相同，只受自重和SSE地震載荷作用；內(nèi)門關(guān)閉外門打開和內(nèi)門外門同時(shí)關(guān)閉時(shí)內(nèi)筒節(jié)同時(shí)承受自重載荷、SSE地震載荷和外壓載荷作用。由于后者載荷工況包絡(luò)前者，因此，在內(nèi)筒節(jié)局部抗震分析時(shí)僅考慮后者所有載荷疊加的情況。

人員閘門內(nèi)筒節(jié)整體結(jié)構(gòu)事故工況下第一主應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖可知，應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門框連接處以及筒節(jié)和門架連接處。將內(nèi)筒節(jié)的筒節(jié)和門框門板單獨(dú)提取出來可以得到事故工況下內(nèi)筒節(jié)的筒節(jié)應(yīng)力云圖如圖8所示，內(nèi)筒節(jié)門框門板應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖7 人員閘門內(nèi)筒節(jié)第一主應(yīng)力云圖Fig.7 The major principal stress of the internal sleeve

圖8 人員閘門內(nèi)筒節(jié)筒節(jié)應(yīng)力云圖Fig.8 The stress nephogram of the internal sleeve

圖9 人員閘門內(nèi)筒節(jié)門板門框應(yīng)力云圖Fig.9 The stress nephogram of the door plank and door frame of the internal sleeve

ANSYS 軟件中所給出的應(yīng)力值是包含了一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力等[10，11]應(yīng)力的總應(yīng)力值，在對(duì)其進(jìn)行校核前需要進(jìn)行線性化處理，分別得到其一次薄膜、彎曲和二次應(yīng)力等。在人員閘門內(nèi)筒節(jié)局部抗震分析中，其最大應(yīng)力產(chǎn)生于門架與筒節(jié)連接處，線性化之后可以得到最大薄膜加彎曲應(yīng)力為99.3 MPa。此處保守地采用一次薄膜應(yīng)力許用值校核薄膜加彎曲應(yīng)力。由RCC-M ANNEX Z I 1.4 可知[12]，人員閘門承壓邊界的材料P265GH在事故工況溫度下的許用應(yīng)力為103 MPa，即在事故工況下人員閘門內(nèi)筒節(jié)最大薄膜加彎曲應(yīng)力小于其一次薄膜應(yīng)力的許用值。因此，該工況下人員閘門內(nèi)筒節(jié)的強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范的要求。

3.2 外筒節(jié)局部抗震分析

事故工況下，人員閘門內(nèi)門打開外門關(guān)閉時(shí)，外筒節(jié)同時(shí)承受自重載荷、SSE地震載荷和內(nèi)壓載荷作用；內(nèi)門關(guān)閉外門打開和內(nèi)門外門同時(shí)關(guān)閉時(shí)，外筒節(jié)只承受自重載荷、SSE地震載荷作用。由于前者載荷工況包絡(luò)后者，因此，在外筒節(jié)局部抗震分析時(shí)，僅考慮前者所有載荷疊加的情況。同時(shí)，還需要考慮人員和小型設(shè)備通過時(shí)的集中載荷，本文計(jì)算過程中，考慮最危急的極端情況，將該載荷全部施加到外筒節(jié)上最外側(cè)一組通道支撐上。

人員閘門外筒節(jié)整體結(jié)構(gòu)事故工況下第一主應(yīng)力云圖如圖10 所示。由圖可知，應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門框連接處、筒節(jié)和門架連接處以及通道支撐與筒節(jié)連接處。將外筒節(jié)的筒節(jié)、門框門板和通道支撐處筒體單獨(dú)提取出來可以得到事故工況下外筒節(jié)筒節(jié)應(yīng)力云圖，如圖11所示，外筒節(jié)門框門板應(yīng)力云圖如圖12所示，通道支撐處筒體局部應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖10 人員閘門外筒節(jié)第一主應(yīng)力云圖Fig.10 The major principal stress of the external sleeve

圖11 人員閘門外筒節(jié)筒節(jié)應(yīng)力云圖Fig.11 The stress nephogram of the external sleeve

對(duì)人員閘門外筒節(jié)局部抗震計(jì)算結(jié)果分析可知，其最大應(yīng)力產(chǎn)生于門架與筒節(jié)連接處，線性化之后可以得到最大薄膜加彎曲應(yīng)力為96.17 MPa，小于其一次薄膜應(yīng)力的許用值103 MPa。因此，該工況下人員閘門外筒節(jié)的強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范的要求。

圖12 人員閘門外筒節(jié)門板門框應(yīng)力云圖Fig.12 The stress nephogram of the door plank and door frame of the external sleeve

圖13 人員閘門通道支撐局部應(yīng)力云圖Fig.13 The stress nephogram of the passage of the Personnel Airlock

4 結(jié)論

本文采用有限元法對(duì)核電站人員閘門建立了完整的有限元模型，并分別對(duì)內(nèi)筒節(jié)和外筒節(jié)建立了局部實(shí)體模型，分析了人員閘門在事故工況下的抗震性能。得到結(jié)論如下：

（1）人員閘門整體承壓部件第一階頻率為49 Hz，大于截?cái)囝l率，可以采用等效靜力法進(jìn)行抗震計(jì)算

（2）事故工況下，人員閘門內(nèi)筒節(jié)應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門框連接處以及筒節(jié)和門架連接處，最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力值，即內(nèi)筒節(jié)滿足強(qiáng)度要求；

（3）事故工況下，人員閘門外筒節(jié)局部應(yīng)力較大處主要位于筒節(jié)和門框連接處、筒節(jié)和門架連接處以及通道支撐與筒節(jié)連接處，最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力值，即外筒節(jié)滿足強(qiáng)度要求。