梁建剛,彭 建,吳高峰
(中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518172)
2001年美國(guó)“9·11事件”震驚了全世界,核電廠在大型商用飛機(jī)撞擊下的安全問(wèn)題也成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。核電站抵御飛機(jī)撞擊的問(wèn)題已引起了國(guó)際上的普遍重視。我國(guó)核安全法規(guī)和核安全導(dǎo)則都有關(guān)于核電廠遭遇飛機(jī)撞擊時(shí)的要求。國(guó)際核行業(yè)對(duì)于核電廠遭遇大型商用飛機(jī)撞擊的法律法規(guī)也在逐步完善。健全核電廠超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)飛機(jī)撞擊的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)具有重大意義的工作,是我國(guó)擁有完整核電技術(shù)體系不可缺少的一部分[2]。
美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150明確要求新設(shè)計(jì)核電廠需考慮大型商用飛機(jī)的撞擊,歐洲三代核電站需考慮大型商用飛機(jī)撞擊和軍用飛機(jī)撞擊的事件[3]。我國(guó)新版《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》(HAF 102—2016) 中明確了對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊事件的要求。為了支持聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150的實(shí)施,2011年美國(guó)核管會(huì)正式出版導(dǎo)則RG1.217,并確定美國(guó)核能研究院NEI07-13中提供的方法可作為飛機(jī)撞擊評(píng)估的方法。NEI07-13中列出飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的幾種效應(yīng)及相應(yīng)的評(píng)估要求,沒(méi)有提供對(duì)沖擊振動(dòng)計(jì)算分析的具體方法,僅給出了飛機(jī)撞擊下的振動(dòng)評(píng)價(jià)規(guī)則、設(shè)備遠(yuǎn)離撞擊位置相應(yīng)的最佳易損度下的加速度限值。美國(guó)西屋公司在開(kāi)展AP1000堆型研發(fā)過(guò)程中,進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證分析工作,包括飛機(jī)撞擊的縮比試驗(yàn)驗(yàn)證等;美國(guó)ANATECH公司在與韓國(guó)公司進(jìn)行核電廠評(píng)估設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)展了振動(dòng)計(jì)算分析研究,并對(duì)飛機(jī)撞擊振動(dòng)分析評(píng)估進(jìn)行相關(guān)的研究,給出了飛機(jī)撞擊下的加速度等值線,可為安全相關(guān)設(shè)備的布置提供指導(dǎo)。臺(tái)山EPR項(xiàng)目中關(guān)于大型商用飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng),在設(shè)計(jì)文件中沒(méi)有具體的計(jì)算方法描述,僅提及EPR項(xiàng)目采用了專設(shè)APC殼結(jié)構(gòu),飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)樓層反應(yīng)譜被地震樓層反應(yīng)譜包絡(luò)。
目前,國(guó)內(nèi)對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊的研究比較重視,上海核工程研究設(shè)計(jì)院牽頭開(kāi)展了核電廠抗大型商用飛機(jī)撞擊的國(guó)家重大專項(xiàng)課題研究;中國(guó)核電工程有限公司依托華龍一號(hào)項(xiàng)目開(kāi)展了大型商用飛機(jī)撞擊核電廠時(shí)的碰撞動(dòng)力分析、振動(dòng)分析和火災(zāi)防護(hù)分析。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物進(jìn)行了大量的研究工作,取得了豐碩的成果,包括撞擊載荷、撞擊毀傷效應(yīng)、撞擊引起的振動(dòng)特性等[4]。本文選取某核電廠一個(gè)管道單元,借助管道分析軟件PIPESTRESS對(duì)管道單元開(kāi)展反應(yīng)譜分析,獲得大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道響應(yīng),并將管道單元在大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的響應(yīng)進(jìn)行分析,分析管道在大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的響應(yīng)差異;并對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊載荷評(píng)定方法進(jìn)行探討,為后續(xù)管道抗擊大型商用飛機(jī)撞擊設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。
反應(yīng)譜分析主要用于時(shí)間-歷程分析,以便確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)載荷或隨時(shí)間變化載荷的動(dòng)力響應(yīng)分析情況,如地震、颶風(fēng)、海洋波浪等。反應(yīng)譜分析理論創(chuàng)立以來(lái)歷經(jīng)幾十年的歷史,為地震工程和抗震設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ),在工程實(shí)踐中,尤其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算具有十分重要的意義[5-8]。本文采用反應(yīng)譜分析方法對(duì)選取的管道單元開(kāi)展分析,獲得大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
選取某核電廠燃料廠房PTR系統(tǒng)的一個(gè)管道單元作為典型單元開(kāi)展分析。該P(yáng)TR管道單元布置標(biāo)高處于-4.500~18.300 m之間,規(guī)范等級(jí)為3級(jí),管徑外徑DR=323.8 mm,壁厚TR=4.57 mm,設(shè)計(jì)溫度T=110 ℃,設(shè)計(jì)壓力P=1.0 MPa,介質(zhì)密度1 000 kg/m3。基于PIPESTRESS軟件建立的某核電站PTR管道單元模型如圖1所示。
圖1 某核電站PTR管道單元模型Fig.1 Model of the PTR pipeline unit for a nuclearpower plant
大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜分別見(jiàn)圖2,3。飛機(jī)撞擊譜水平方向最大加速度21.5g,頻率分布在25.0~47.0 Hz之間;飛機(jī)撞擊譜豎直方向最大加速度7.8g,頻率分布在38.0~58.0 Hz之間。地震譜水平方向最大加速度4.3g,頻率分布在3.4~8.4 Hz之間;地震譜豎直方向最大加速度2.2g,頻率分布在4.0~6.9 Hz之間。
圖2 大型商用飛機(jī)撞擊譜Fig.2 Large commercial aircraft impact spectrum
圖3 地震譜Fig.3 Seismic spectrum
大型商用飛機(jī)撞擊譜的峰值加速度遠(yuǎn)大于地震譜的峰值加速度;峰值加速度分布的頻率段不同,飛機(jī)撞擊譜峰值加速度處于較高頻率段,地震譜峰值加速度處于較低頻率段。
動(dòng)力分析時(shí)截止頻率的選取至關(guān)重要,合理地選取截止頻率才能獲取正確的動(dòng)力分析結(jié)果。本文地震分析時(shí)截止頻率取100 Hz,大型商用飛機(jī)撞擊分析時(shí)截止頻率取100 Hz,頻率分布如表1所示。
表1 頻率分布Tab.1 Frequency distribution
采用PIPESTRESS軟件開(kāi)展反應(yīng)譜分析,得到大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道最大響應(yīng)在PIPESTRESS模型中的115節(jié)點(diǎn)處,飛機(jī)撞擊譜下管道的最大應(yīng)力為372.20 MPa,見(jiàn)圖4。
圖4 大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道應(yīng)力分布Fig.4 Pipe stress distribution under the impact spectrum of large commercial aircraft
采用PIPESTRESS軟件開(kāi)展反應(yīng)譜分析,得到地震譜下的管道最大響應(yīng)在PIPESTRESS模型中的115節(jié)點(diǎn)處,地震譜下管道的最大應(yīng)力為89.57 MPa,見(jiàn)圖5。
圖5 地震譜下的管道應(yīng)力分布Fig.5 Pipe stress distribution under the seismic spectrum
大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道響應(yīng)遠(yuǎn)大于地震譜下的管道響應(yīng),主要有三個(gè)原因:(1)大型商用飛機(jī)撞擊譜的峰值加速度遠(yuǎn)大于地震譜的峰值加速度;(2)大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜的峰值加速度頻率分布區(qū)間差異很大,大型商用飛機(jī)撞擊譜峰值加速度處于25.0~47.0 Hz頻率之間,而地震譜峰值加速度處于3.4~8.4 Hz頻率之間;(3)管道單元固有模態(tài)在6.5~50 Hz區(qū)間分布呈高度密集分布,50 Hz后開(kāi)始呈逐漸稀疏分布。
美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150將大型商用飛機(jī)的撞擊事件確定為超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件。通過(guò)動(dòng)力分析獲得大型商用飛機(jī)撞擊載荷下的管道響應(yīng),對(duì)于評(píng)價(jià)大型商用飛機(jī)撞擊下的管道響應(yīng),相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有給出評(píng)定準(zhǔn)則。臺(tái)山EPR項(xiàng)目采用了APC殼結(jié)構(gòu),飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)樓層反應(yīng)譜被地震樓層反應(yīng)譜包絡(luò),避免了對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)開(kāi)展詳細(xì)分析。但JIN等[9]對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊核電站引起的振動(dòng)特性進(jìn)行了初步分析,指出飛機(jī)撞擊引起的振動(dòng)不同于地震事件,飛機(jī)撞擊載荷與地震載荷相比,持續(xù)時(shí)間短,撞擊引起的振動(dòng)頻率主要集中在高頻,并建立了核電站簡(jiǎn)化模型,研究了不同參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響;孫德綸等[10]明確指出,對(duì)于飛機(jī)撞擊所引起的安全殼響應(yīng),從加速度來(lái)看,地震引起的低頻響應(yīng)嚴(yán)重,而飛機(jī)撞擊引起的高頻響應(yīng)嚴(yán)重。綜上所述,大型商用飛機(jī)撞擊核電站產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)及評(píng)定準(zhǔn)則是當(dāng)下需要研究的方向。
基于對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊載荷缺少可供參考的評(píng)定準(zhǔn)則,充分借鑒對(duì)地震評(píng)定準(zhǔn)則的成熟經(jīng)驗(yàn)。將管道在飛機(jī)撞擊譜下的響應(yīng)按照RCC-M規(guī)范D級(jí)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。管道應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則見(jiàn)表2,管道應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3。
表2 管道應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則Tab.2 Pipe stress assessment criteria
表3 管道應(yīng)力評(píng)定結(jié)果Tab.3 Pipe stress assessment results
地震譜下管道應(yīng)力評(píng)定公式(10)應(yīng)力比為0.384,大型商用飛機(jī)撞擊譜下管道應(yīng)力評(píng)定公式(10)應(yīng)力比為1.480,選取的管道單元能承受地震載荷,但是無(wú)法承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷。
為使選取的管道單元能承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷,對(duì)選取的管道單元開(kāi)展優(yōu)化分析。以RCC-M規(guī)范D級(jí)準(zhǔn)則公式(10)應(yīng)力比≤1.0為目標(biāo),采用優(yōu)化支架的措施,對(duì)所選管道單元進(jìn)行優(yōu)化分析,優(yōu)化后的管道單元需要修改1個(gè)支架功能,增加3個(gè)剛性支架和7個(gè)阻尼器。優(yōu)化后的管道單元布置見(jiàn)圖6。
圖6 優(yōu)化后的管道單元布置Fig.6 Optimized pipe unit layout
本文對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊核電廠的研究情況進(jìn)行分析,并研究了振動(dòng)效應(yīng)對(duì)管道的影響,得到如下結(jié)論。
(1)通過(guò)反應(yīng)譜分析獲得大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的管道響應(yīng),對(duì)比了大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道響應(yīng)和地震譜下的管道響應(yīng),得到兩種譜的管道響應(yīng)的差異原因,主要有:譜的峰值加速度差異;譜的頻率分布區(qū)間差異;選取計(jì)算單元的固有模態(tài)分布差異。
(2)對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊下管道的評(píng)定方法進(jìn)行探討,并使用RCC-M規(guī)范D級(jí)準(zhǔn)則對(duì)選取的管道單元進(jìn)行評(píng)定,選取的計(jì)算單元能承受地震載荷,但是無(wú)法承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷。為使選取的管道單元能承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷,對(duì)其開(kāi)展優(yōu)化分析,提出管道單元能承受大型商業(yè)飛機(jī)撞擊載荷需要采用的措施。