王 平

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引 言

核電站要正常工作，核級風(fēng)機(jī)在核電廠中不可或缺[1]。FQ-C26-9.1D是一種帶有鋼絲繩減震器的風(fēng)機(jī)，由于其優(yōu)良的通風(fēng)冷卻功能，以及裝了鋼絲繩減震器后顯著提高其抗震性能[2]，不期將應(yīng)用在核電廠中，但是為了保證結(jié)構(gòu)在受地震荷載作用時(shí)，依舊可以正常工作，需要對其進(jìn)行抗震性能分析。

1 目的和要求

同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動臺試驗(yàn)室受浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司的委托，按照其提供的FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)圖紙資料，采用有限元軟件ABAQUS 6.14-1對FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)進(jìn)行了抗震計(jì)算模擬分析。通過建立仿真模型對FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，得出了該風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動力特性及在各種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

具體計(jì)算分析內(nèi)容和要求如下：按照結(jié)構(gòu)尺寸、安裝要求進(jìn)行建模；計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的動力特性；計(jì)算結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震作用下的響應(yīng)；采用NB/T 20039-2014[3]、NB/T 20038-2011[4]及RCC-M[5]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范評定結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件、主要連接件在設(shè)計(jì)地震作用下的承載能力和變形能力是否滿足要求。

2 設(shè)備分級及載荷

2.1 設(shè)備分級

該風(fēng)機(jī)的分級信息如下：

安全等級：SC

抗震類別為：I

質(zhì)保等級：OA2

2.2 載荷組成

風(fēng)機(jī)載荷組合如表1所示：

表1 載荷組合及應(yīng)力評定等級

根據(jù)風(fēng)機(jī)的具體情況，進(jìn)行如下載荷假定：

由于膨脹節(jié)的作用，基本消除了進(jìn)氣口和出氣口處的載荷，故計(jì)算中忽略進(jìn)氣口和出氣口接管載荷。

本報(bào)告計(jì)算考慮了以下載荷：自重(DW)；正常運(yùn)行壓差(NOPD)；活動載荷(L)；安全停堆地震載荷(SSE)。

由該組別風(fēng)機(jī)的最高抗震要求為I級，事故工況使用等級的載荷按照C級應(yīng)力評定準(zhǔn)則進(jìn)行評定，該處理方式是保守的。風(fēng)機(jī)工況和載荷組合見表2所示。

表2 載荷組合及應(yīng)力準(zhǔn)則

3 評定規(guī)范要求

3.1 構(gòu)件強(qiáng)度評定的規(guī)范要求

根據(jù)NB/T 20038第4.3.2節(jié)中的規(guī)定對風(fēng)機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力評定。相關(guān)評定準(zhǔn)則見表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)件應(yīng)力評定準(zhǔn)則

3.2 變形評定準(zhǔn)則

根據(jù)NB/T 20039第5.5.1.5節(jié)的規(guī)定，該風(fēng)機(jī)正常工況下的變形限值如下表4所示。

表4 變形限制

3.3 螺栓強(qiáng)度評定的規(guī)范要求

根據(jù)NB/T 20038-2011第4.3.6節(jié)的要求對螺栓緊固件進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)力評定。應(yīng)力評定準(zhǔn)則如表5所示。

表5 螺栓應(yīng)力評定準(zhǔn)則

由于螺栓在事故工況下的載荷比正常工況載荷更加嚴(yán)苛，故螺栓事故工況的評定采用正常工況限值，這樣處理的結(jié)果是保守的。

4 風(fēng)機(jī)設(shè)備簡介及材料參數(shù)

FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)主要由減震器、風(fēng)機(jī)底座、風(fēng)機(jī)支架、電機(jī)、機(jī)殼等組成，如下圖1所示。

FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)主要為Q235材料，根據(jù)NB/T 20038第4.3.1規(guī)定，許用應(yīng)力為S=Su/3.5(抗拉強(qiáng)度Su)和S=2Sy/3(屈服強(qiáng)度Sy)兩者的較小值，風(fēng)機(jī)Q235的材料參數(shù)如表6所示。

表6 風(fēng)機(jī)Q235材料參數(shù)

5 風(fēng)機(jī)計(jì)算模型

本報(bào)告采用大型通用有限元軟件ABAQUS 6.14-1對FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)進(jìn)行有限元建模和力學(xué)計(jì)算分析，其中鋼絲繩減震器的減震作用通過調(diào)整反應(yīng)譜來體現(xiàn)，風(fēng)機(jī)底座、風(fēng)機(jī)支架、機(jī)殼均采用shell單元進(jìn)行有限元建模；一般的，葉輪及輪轂的計(jì)算應(yīng)力較小，其評定可省略，故葉輪部以及電動機(jī)將以質(zhì)量點(diǎn)的形式在其重心位置處模擬建模(如圖3所示)，電機(jī)總質(zhì)量為1265kg，因此每個(gè)分布在電機(jī)板上的集中質(zhì)量為1265/4=316.25kg=0.31625t；風(fēng)機(jī)底座與減震器、風(fēng)機(jī)底座與風(fēng)機(jī)支架以及風(fēng)機(jī)底座與機(jī)殼的連接螺栓均采用Solid單元建模。FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)的有限元模型如圖2所示，整個(gè)計(jì)算模型共計(jì)單元數(shù)28567、節(jié)點(diǎn)數(shù)33147，計(jì)算總質(zhì)量約2400kg。

5.1 坐標(biāo)系

結(jié)構(gòu)的整體坐標(biāo)系如圖2所示，坐標(biāo)原點(diǎn)在風(fēng)機(jī)底座與機(jī)殼交匯處，整個(gè)風(fēng)機(jī)的重心坐標(biāo)為：

Xc=1398.26mm，Yc=652.15mm，Zc=289.55mm。

圖1 風(fēng)機(jī)幾何模型

圖2 風(fēng)機(jī)有限元模型

圖3 電機(jī)的集中質(zhì)量點(diǎn)布置

5.2 邊界條件

整個(gè)設(shè)備通過風(fēng)機(jī)支架與減震器連接螺栓進(jìn)行固定，約束該質(zhì)量點(diǎn)上的平動位移，如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)的邊界條件

5.3 單 位

建模計(jì)算中采用的單位如下：長度(mm)，質(zhì)量(t)，力(N)，壓力(MPa)，頻率(Hz)。

5.4 載荷

5.4.1 自重(DW)

選取風(fēng)機(jī)及電機(jī)最大質(zhì)量作為實(shí)際載荷，風(fēng)機(jī)加載質(zhì)量為2400kg(包含電機(jī)質(zhì)量1265kg)

5.4.2 活動載荷(L)

2.1.3 供試品溶液的制備 取姜黃藥材0.2 g（60目），精密稱定，置具塞錐形瓶中，加入甲醇50 mL，稱定質(zhì)量，超聲處理（功率250 W，頻率40 kHz）45 min，放冷，再稱定質(zhì)量，用甲醇補(bǔ)足減失的質(zhì)量，搖勻，取上清液用微孔濾膜（0.45 μm）濾過，即得。

正常工況下，由于制造和維修時(shí)的活載荷很小，故忽略不計(jì)。

5.4.3 靜壓(NOPD)

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的靜壓為16500Pa，有限元計(jì)算時(shí)，電機(jī)軸向及風(fēng)筒施加相應(yīng)的壓力16500Pa。

5.4.4 地震載荷(SSE)

結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析采用反應(yīng)譜分析方法，首先進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的固有動態(tài)特性；其次分別從x、y、z向輸入地震加速度反應(yīng)譜，求解在地震載荷作用下的結(jié)構(gòu)動態(tài)位移和動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)；最后對每個(gè)方向的地震分量引起的動力響應(yīng)進(jìn)行SRSS組合得到對應(yīng)的地震響應(yīng)。風(fēng)機(jī)安裝風(fēng)機(jī)底座固定在鋼絲繩減震器上，地震譜經(jīng)該減震器作用后將被放大，計(jì)算使用的地震譜為該標(biāo)高處經(jīng)減震器放大作用后的放大譜，三個(gè)方向的地震譜及被放大后的減震器放大譜如下圖5～圖6所示。

圖5 反應(yīng)譜圖(2%阻尼比)

圖6 反應(yīng)譜放大譜圖(2%阻尼比)

6 計(jì)算結(jié)果

6.1 模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)總參與質(zhì)量見下表7～表8所示。

表7 結(jié)構(gòu)固有頻率

表8 結(jié)構(gòu)前1000階模態(tài)總參與質(zhì)量

6.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評定

根據(jù)《NB/T 20038-2011核空氣和氣體處理規(guī)范設(shè)計(jì)和制造通用要求》，采用第一強(qiáng)度理論對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，因此以下應(yīng)力均是第一主應(yīng)力。考慮以下兩種應(yīng)力：總體薄膜應(yīng)力Pm，總體薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力Pm+Pb。

表9 正常工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力評定

表10 事故工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力評定

6.3 結(jié)構(gòu)變形評定

FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)跨度為2600mm，事故工況下結(jié)構(gòu)變形使用正常工況變形限值評定，這樣的處理是保守的。由事故工況下結(jié)構(gòu)的變形圖7可知結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范要求，具體如下表11所示。

圖7 事故工況下結(jié)構(gòu)的變形圖

表11 結(jié)構(gòu)的變形評定結(jié)果

6.4 螺栓強(qiáng)度評定

對風(fēng)機(jī)底座與減震器之間的螺栓、風(fēng)機(jī)底座與風(fēng)機(jī)支架之間的螺栓以及風(fēng)機(jī)底座與機(jī)殼之間的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度評定。風(fēng)機(jī)底座與鋼絲繩減震器連接的32個(gè)M14×60螺栓采用不銹鋼A2-70材料，其余螺栓等級為8.8級。用螺栓A級評定準(zhǔn)則評定事故工況下螺栓載荷，該方式是保守的，對于風(fēng)機(jī)底座與鋼絲繩減震器的連接螺栓則有：Ftb=0.5×700=350MPa，F(xiàn)vb=0.62Su/3=144.67MPa；對于其余8.8級的螺栓則有：Ftb=0.5×640=320MPa，F(xiàn)vb=0.62Su/3=132.27MPa。

風(fēng)機(jī)底座通過32個(gè)M14×60的螺栓與減震器相連接，螺栓采用C3D8R進(jìn)行模擬，螺栓實(shí)體的一端與風(fēng)機(jī)底座綁定，另一端與減震器綁定；風(fēng)機(jī)底座通過8個(gè)M16×55的螺栓與風(fēng)機(jī)支架相連接，螺栓采用C3D8R進(jìn)行模擬，螺栓實(shí)體的一端與風(fēng)機(jī)底座螺栓孔綁定，另一端與風(fēng)機(jī)支架螺栓孔綁定；風(fēng)機(jī)底座通過8個(gè)M16×55的螺栓與機(jī)殼相連接，螺栓采用C3D8R進(jìn)行模擬分析，螺栓實(shí)體的一端與風(fēng)機(jī)底座螺栓孔綁定，另一端與機(jī)殼螺栓孔綁定。由表12可知，螺栓在事故工況下的應(yīng)力滿足要求。

表12 螺栓在事故工況下的應(yīng)力

7 結(jié) 語

FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)有限元抗震性能分析表明無論是在正常工況還是在事故工況下，風(fēng)機(jī)均能正常工作。同時(shí)，對部件之間的連接螺栓進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算，滿足我國核電設(shè)備相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。除此之外還需要進(jìn)行抗震風(fēng)機(jī)的振動臺試驗(yàn)[6]；有限元抗震性能分析以及振動臺試驗(yàn)結(jié)果將為FQ-C26-9.1D風(fēng)機(jī)在核電站廣泛應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。