|
1 概述
按照RCC-M规范的要求，对核级冷却器3.进行抗震分析与评定，以确定该核级冷却器在规定载荷作用下是否满足规范的要求。 2 设备与材料说明依据该核级冷却器的技术规格书及相关图纸，该核级冷却器抗震分类为SSE1，抗震要求为F，质保等级为Q2，功能物项分级为F-SC2，安装于安全厂房BSC，安装位置标高26.3m，流量101700m³/h，冷负荷900KW，设计压力1.6MPa，设计温度60℃，机组运行重量约3950kg。由于报告需要包络多台设备，因此计算选取的载荷（如内压、接管载荷以及地震载荷）为所有设备的最大载荷，报告所包络的设备清单见附件1。 该冷却器的结构如图2.1所示，主要由进出水管、冷却器框板、散热片、铜管、挡水器、保温水盘和转接框等部件组成。 
1-出水管 2-进水管 3-后侧框板 4-散热片 6-顶框板 7-直铜管 8-前侧框板 10-挡水器 14-连接槽钢 15-保温水盘 16-下框板 17-转接框 图2.1 冷却器结构图 铜管的材料为TP2，进出水管、冷却器框板、挡水器、保温水盘和接管法兰的材料为022Cr19Ni10，转接框的材料为Q235B。计算所取材料参数如表2.1所示。 表2.1 冷却器结构材料参数 材料 | 弹性模量E(MPa) | 密度 kg/m3 | 泊松比 | 抗拉强度Su (MPa) | 屈服强度Sy (MPa) | 基本许用应 力S (MPa) | TP2 | 1.32×105 | 8960 | 0.34 | 200 | - | 50 | 022Cr19Ni10 | 1.95×105 | 7980 | 0.3 | 485 | 170 | 113.3 | Q235B | 2.0×105 | 7850 | 0.3 | 370 | 235 | 92.5 |
3 依据的规范标准和文件（1）核级冷却盘管技术规格书 （2）公共筏基上的核岛厂房设计楼层反应谱 （3）《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》 4 计算软件计算采用有限元分析软件ANSYS，作为大型商业通用结构分析软件，主要面向大规模结构的有限元分析，该程序在我国核电设备设计分析中的有效性已经得到国家核安全局的认可。 5 计算载荷该冷却器的计算载荷包括自重、內压、接管载荷以及地震载荷。根据技术规格书的要求，具体的工况以及相应的载荷组合与准则级别列于表5.1。
表5.1 冷却器的载荷组合及准则级别 工况 | 载荷组合 | 准则级别 | 设计工况 | 设计压力、设计温度、自重、接管载荷 | O | 正常工况 | 正常工况压力、正常工况温度、自重、接管载荷 | A | 扰动工况 | 扰动工况压力、扰动工况温度、自重、接管载荷、LLE | B | 紧急工况 | 紧急工况压力、紧急工况温度、自重、接管载荷 | C | 事故工况 | 事故工况压力、事故工况温度、自重、接管载荷、SSE | C |
由表5.1可知，设计工况、正常工况、扰动工况、紧急工况与事故工况相比较，事故工况载荷组合更严格，因此若用O级准则来评定事故工况能够通过，则其它工况同样通过。包络后的计算工况以及相应的载荷组合与准则级别列于表5.2。 表5.2 包络后冷却器的载荷及准则级别 工况 | 载荷组合 | 准则级别 （RCC-M D3300） | 事故工况 | 事故工况压力、事故工况温度、自重、接管载荷、SSE | O |
5.1 接管载荷根据制造商提供接管载荷值，进出口法兰的接管载荷如表5.3所示。 表5.3 接管载荷 轴向力（N） | 径向力（N） | 弯矩（Nm） | 扭矩（Nm） | 350 | 350 | 100 | 200 |
5.2 地震载荷采用反应谱分析的方法对冷却器进行地震载荷计算，计算所用的反应谱为包络谱，报告中选取的包络谱是通过对所有需要包络的设备所在厂房以及楼层的反应谱值进行比较，从而得到水平方向以及垂直方向上最大的反应谱，阻尼比取为2%，具体的包络反应谱值见附件2。 采用有限元方法分析冷却器的模态，计算冷却器的固有频率，有限元模型的建模方法在6.1中介绍，边界条件为约束转接框与预埋件连接处三个方向的平动位移和三个方向的转动位移以及保温水盘下支座竖直方向位移。 通过模态分析，提取了冷却器整体结构的前150阶模态，在X、Y和Z三个方向的累积参与质量均大于总质量的90%。前十阶固有频率分别为18.481Hz、46.468Hz、50.694Hz、51.701Hz、52.686Hz、60.858Hz、62.484Hz、70.199Hz、74.057Hz、77.02Hz，模态如图5.1-图5.4所示。 
图5.1 冷却器结构第一阶模态 
图5.2 冷却器结构第二阶模态 
图5.3 冷却器结构第三阶模态 
图5.4 冷却器结构第四阶模态 6 冷却器的应力计算与评定6.1 有限元模型有限元模型依据冷却器的真实结构尺寸，建立主要结构部件的模型。模型主要为壳结构，壳单元采用shell181。在力学分析时，对设备进行合理的简化，忽略影响小的结构部件。对于散热片以及铜管，由于真实模型极其复杂，因此将其进行简化处理，鉴于模型的实际结构以及受力条件，将铜管部分以前侧框板为边界进行解耦，建立出与进出水管连接的铜管部分的真实模型，对于在框架内部的铜管、散热片以及挡水器的挡水板，仅考虑其质量和刚度的影响，通过建立质量单元关联到相应的固定位置处。有限元模型见图6.1，边界条件为约束转接框与预埋件连接处三个方向的平动位移和三个方向的转动位移以及保温水盘下支座竖直方向位移。 
图6.1 冷却器有限元模型 6.2 载荷组合根据最不利原则，将由规定地震产生的响应与其它载荷（如自重、风压以及接管载荷）产生的响应进行绝对值叠加。事故工况下的计算载荷见表6.1。 表6.1 事故工况下的计算载荷 工况 | 计算载荷 | 准则 级别 | 自重 | 內压（MPa） | 接管载荷 | 地震载荷 | 事故工况 | g* | 1.6×1.2 | 见表5.3 | SSE | O |
注*：自重载荷的施加方式为垂直向下施加1个g（g=9.81m/s2）的重力加速度。 6.3 应力限值按照RCC-M的规定，冷却器各结构部件应力许用限值如表6.2所示。
表6.2 冷却器各结构部件应力许用限值 结构 | 准则级别 | 总体薄膜应力  的限值（MPa）
| 薄膜应力和弯曲应力  的限值（MPa）
| 计算式 | 限值 | 计算式 | 限值 | 铜管 | O | S | 50 | 1.5S | 75 | 进出水管、冷却器框板、挡水器、保温水盘 | O | S | 113.3 | 1.5S | 170 | 转接框 | O | S | 92.5 | 1.5S | 138.7 |
6.4 事故工况下应力计算与评定结果事故工况的计算载荷为內压、自重、接管载荷以及SSE地震载荷。 6.4.1 內压应力计算 在內压的作用下，仅关注承压结构部件的应力计算结果，如图6.2-图6.3所示。计算铜管在內压作用下的应力结果时，按照铜管的真实尺寸，建立部分铜管的模型，以此来考虑內压对整根铜管的影响。 
（a）铜管薄膜应力云图 
（b）进出水管薄膜应力云图 图6.2 內压作用下承压结构部件的薄膜应力云图
（a）铜管薄膜加弯曲应力云图
（b）进出水管薄膜加弯曲应力云图 图6.3 內压作用下承压结构部件的薄膜加弯曲应力云图 6.4.2 自重以及接管载荷应力计算 在自重以及接管载荷的作用下，冷却器各结构部件的应力计算结果如图6.4-图6.5所示。
（a）铜管薄膜应力云图
（b）进出水管薄膜应力云图
（c）冷却器框板薄膜应力云图
（d）挡水器薄膜应力云图
（e）保温水盘薄膜应力云图
（f）转接框薄膜应力云图 图6.4 自重以及接管载荷作用下冷却器各结构部件的薄膜应力云图
（a）铜管薄膜加弯曲应力云图
（b）进出水管薄膜加弯曲应力云图
（c）冷却器框板薄膜应加弯曲力云图
（d）挡水器薄膜加弯曲应力云图
（e）保温水盘薄膜加弯曲应力云图
（f）转接框薄膜加弯曲应力云图 图6.5 自重以及接管载荷作用下冷却器各结构部件的薄膜加弯曲应力云图 6.4.3 SSE地震载荷应力计算 在SSE地震载荷的作用下，冷却器各结构部件的应力计算结果如图6.6-图6.7所示。
（a）铜管薄膜应力云图
（b）进出水管薄膜应力云图
（c）冷却器框板薄膜应力云图
（d）挡水器薄膜应力云图
（e）保温水盘薄膜应力云图
（f）转接框薄膜应力云图 图6.6 SSE地震载荷载荷作用下冷却器各结构部件的薄膜应力云图
（a）铜管薄膜加弯曲应力云图
（b）进出水管薄膜加弯曲应力云图
（c）冷却器框板薄膜应加弯曲力云图
（d）挡水器薄膜加弯曲应力云图
（e）保温水盘薄膜加弯曲应力云图
（f）转接框薄膜加弯曲应力云图 图6.7 SSE地震载荷载荷作用下冷却器各结构部件的薄膜加弯曲应力云图 6.4.4 事故工况计算载荷的评定结果 报告将地震载荷、內压、自重以及接管载荷作用下对应位置处的应力结果进行叠加，从而得到事故工况载荷作用下的应力计算结果，具体评定结果如表6.3所示。 表6.3 事故工况下冷却器各结构部件的应力结果评定 结构 | 总体薄膜应力 | 薄膜应力和弯曲应力 | 计算值（MPa） | 限值（MPa） | 计算值（MPa） | 限值（MPa） | 铜管 | 39.53 | 50 | 44.26 | 75 | 进出水管 | 92.29 | 113.3 | 154.64 | 170 | 冷却器框板 | 29.66 | 113.3 | 47.19 | 170 | 挡水器 | 23.34 | 113.3 | 26.40 | 170 | 保温水盘 | 2.88 | 113.3 | 29.13 | 170 | 转接框 | 8.71 | 92.5 | 10.06 | 138.7 |
以上结果显示，在事故工况载荷的作用下冷却器各部件的应力均小于其相应的限值，满足RCC-M规范的要求。 7 法兰校核按照规范RCC-M中附录ZV所提供的方法对冷却器进出水管法兰（进出口法兰尺寸相同）应力进行计算与评定，评定过程和结果列于表7.1。 表7.1 法兰校核过程参数与结果
| 计算内容 | 单位 | 设计工况 | 正常工况 | 异常工况 | 紧急工况 | 事故工况 | 垫片参数 | 垫片系数m |
| 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 比压力y | MPa | 69 | 69 | 69 | 69 | 69 | 垫片外径 | mm | 185.7 | 185.7 | 185.7 | 185.7 | 185.7 | 垫片内径 | mm | 143.8 | 143.8 | 143.8 | 143.8 | 143.8 | 基本密封宽度b0 | mm | 10.475 | 10.475 | 10.475 | 10.475 | 10.475 | 有效密封宽度b | mm | 8.2 | 8.2 | 8.2 | 8.2 | 8.2 | 压紧力作用处直径Dj | mm | 169.3 | 169.3 | 169.3 | 169.3 | 169.3 | 实际螺栓面积 | 螺栓公称直径 |
| 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 螺栓数量 |
| 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 单个螺栓面积 | mm2 | 245 | 245 | 245 | 245 | 245 | 整体螺栓面积SB | mm2 | 1960 | 1960 | 1960 | 1960 | 1960 | 法兰压紧力 | 内压P | MPa | 1 | 1 | 1.1 | 1.2 | 1.2 | 管道载荷轴向力Fa | N | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 管道载荷弯矩Mf | Nmm | 100000 | 100000 | 100000 | 100000 | 100000 | 等效压力Peq | MPa | 1.713320115 | 1.713320115 | 1.713320115 | 1.713320115 | 3.083359394 | FF(P) | N | 22500.05465 | 22500.05465 | 24750.06012 | 27000.06558 | 27000.06558 | FF(P+Peq) | N | 22500.05465 | 61049.85087 | 63299.85633 | 65549.8618 | 96375.82045 | 垫圈压紧力FM | N | 26154.8184 | 26154.8184 | 28770.30024 | 31385.78208 | 31385.78208 | 法兰压紧力FS | N | 48654.87305 | 87204.66927 | 92070.15657 | 96935.64388 | 127761.6025 | 螺栓所需最小截面面积 | 许用应力S | MPa | 103 | 103 | 103 | 103 | 103 | 屈服强度Sy | MPa | 205 | 205 | 205 | 205 | 205 | 室温弹性模量 | MPa | 195000 | 195000 | 195000 | 195000 | 195000 | 工作温度弹性模量 | MPa | 195000 | 195000 | 195000 | 195000 | 195000 | 所需最小螺栓面积SA | mm2 | 472.3774083 | 1460.099085 | 1460.099085 | 1460.099085 | 620.201954 | 1460.099085 | 螺栓面积校核 |
| 通过 | 螺栓预紧力 | 管道载荷横向力 | N | 0 | 3001 | 3001 | 3001 | 4945 | 管道载荷扭矩 | Nmm | 0 | 557000 | 557000 | 557000 | 1758000 | 为抵抗横向相对位移所需接触力 | N | 0 | 10003.33333 | 10003.33333 | 10003.33333 | 16483.33333 | 螺栓预紧力FSi | N | 48654.87305 | 87204.66927 | 92070.15657 | 96935.64388 | 127761.6025 | 法兰尺寸 | 法兰外径A | mm | 255 | 255 | 255 | 255 | 255 | 法兰内径B | mm | 136 | 136 | 136 | 136 | 136 | 法兰力 | (1+SB/SA)/2 |
| 1.171187325 | 1.171187325 | 1.171187325 | 1.171187325 | 1.171187325 | 法兰内部端面静压力HD | N | 14519.36 | 14519.36 | 15971.296 | 17423.232 | 17423.232 | 密封垫圈与法兰孔间环形表面上的端面静压力HT | N | 7980.69465 | 7980.69465 | 8778.764115 | 9576.83358 | 9576.83358 | 与等效压力相应的静压力HD’ | N | 24876.31154 | 24876.31154 | 24876.31154 | 24876.31154 | 44768.40505 | 与等效压力相应的垫圈HT’ | N | 13673.48468 | 13673.48468 | 13673.48468 | 13673.48468 | 24607.34982 | 密封垫圈上的负载HG | N | -4065.88023 | 41083.1525 | 44531.54409 | 47979.93569 | 53256.94911 | 法兰力矩 | 螺栓孔节圆直径C | mm | 215.9 | 215.9 | 215.9 | 215.9 | 215.9 | 法兰颈最后处厚g1 | mm | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 法兰颈最薄处厚g0 | mm | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 法兰颈长度h | mm | 12.7 | 12.7 | 12.7 | 12.7 | 12.7 | 法兰盘厚度Ep | mm | 22.3 | 22.3 | 22.3 | 22.3 | 22.3 | R=0.5(C-B)-g1 | mm | 23.95 | 23.95 | 23.95 | 23.95 | 23.95 | 载荷HD和HD’之轴到节圆的距离hd | mm | 31.95 | 31.95 | 31.95 | 31.95 | 31.95 | 载荷HG之轴到节圆的距离hg | mm | 23.3 | 23.3 | 23.3 | 23.3 | 23.3 | 载荷HT和HT’之轴到节圆的距离ht | mm | 31.625 | 31.625 | 31.625 | 31.625 | 31.625 | 法兰内部压力引起的弯矩MD | Nmm | 463893.552 | 463893.552 | 510282.9072 | 556672.2624 | 556672.2624 | 密封垫圈与法兰内径之间的环形表面压力引起的弯矩MT | Nmm | 252389.4683 | 252389.4683 | 277628.4151 | 302867.362 | 302867.362 | 等效压力导致弯矩MD’ | Nmm | 794798.1538 | 794798.1538 | 794798.1538 | 794798.1538 | 1430350.541 | 等效压力导致弯矩MT’ | Nmm | 432423.9529 | 432423.9529 | 432423.9529 | 432423.9529 | 778207.4381 | 密封垫反作用力产生的弯矩MG | Nmm | -94735.0094 | 957237.4532 | 1037584.977 | 1117932.502 | 1240886.914 | 弯矩MA | Nmm | 1327726.516 | 2379698.978 | 2512471.63 | 2645244.282 | 3486443.531 | 作用于法兰上的最大弯矩MO | Nmm | 1848770.118 | 2900742.58 | 3052718.406 | 3204694.233 | 4308984.518 | 修正系数C0 | Nmm | 1.166278121 | 1.166278121 | 1.166278121 | 1.166278121 | 1.166278121 | 应力计算的力矩M’ | Nmm | 2156180.138 | 3383072.605 | 3560318.686 | 3737564.767 | 5025474.366 | 法兰应力 | 20g1 | mm | 320 | 320 | 320 | 320 | 320 | h0=sqrt(B×g0) | mm | 32.984845 | 32.984845 | 32.984845 | 32.984845 | 32.984845 | h/h0 |
| 0.385025305 | 0.385025305 | 0.385025305 | 0.385025305 | 0.385025305 | g1/g0 |
| 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 查表得λ |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | B1 | mm | 152 | 152 | 152 | 152 | 152 | K＝A/B |
| 1.875 | 1.875 | 1.875 | 1.875 | 1.875 | T |
| 1.555259326 | 1.555259326 | 1.555259326 | 1.555259326 | 1.555259326 | Y |
| 3.258316589 | 3.258316589 | 3.258316589 | 3.258316589 | 3.258316589 | U |
| 3.58056768 | 3.58056768 | 3.58056768 | 3.58056768 | 3.58056768 | Z |
| 1.795031056 | 1.795031056 | 1.795031056 | 1.795031056 | 1.795031056 | 查表得F |
| 0.85 | 0.85 | 0.85 | 0.85 | 0.85 | 泊松比v |
| 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 查表得V |
| 0.26 | 0.26 | 0.26 | 0.26 | 0.26 | e |
| 0.02576941 | 0.02576941 | 0.02576941 | 0.02576941 | 0.02576941 | L |
| 1.393926374 | 1.393926374 | 1.393926374 | 1.393926374 | 1.393926374 | SH | MPa | 44.0022443 | 66.62175007 | 70.3145334 | 74.00731673 | 97.75176002 | SR | MPa | 40.39606148 | 63.38190698 | 66.70261449 | 70.02332201 | 94.15232422 | ST | MPa | 31.3672758 | 49.21563351 | 51.79414103 | 54.37264855 | 73.10865993 | (SH+SR)/2 | MPa | 42.19915289 | | | | | (SH+ST)/2 | MPa | 37.68476005 | | | | | 法兰应力限值 | SH | MPa | 169.95 | 169.95 | 169.95 | 203.94 | 203.94 | SR | MPa | 113.3 | 169.95 | 169.95 | 203.94 | 203.94 | ST | MPa | 113.3 | 169.95 | 169.95 | 203.94 | 203.94 | (SH+SR)/2 | MPa | 113.3 | | | | | (SH+ST)/2 | MPa | 113.3 | | | | | 法兰应力评定结果 | SH |
| 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | SR |
| 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | ST |
| 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | (SH+SR)/2 |
| 通过 |
|
|
|
| (SH+ST)/2 |
| 通过 |
|
|
|
|
从表7.1可知，冷却器进出水管法兰在各工况下的应力均能满足RCC-M规范要求。 8 结论上述分析与评定结果表明，在技术规格书规定的各工况的载荷组合作用下，核级冷却器3/4.各结构部件的应力结构满足RCC-M规范的要求。
|
