CPR1000主控室大屏装置结构抗震分析

北京广利核系统工程有限公司　刘兆峰,姜智锐

CPR1000主控室大屏装置结构抗震分析

北京广利核系统工程有限公司刘兆峰,姜智锐

1　引言

核电厂主控室大屏显示主要设备、主要工艺系统的基本运行状态和参数,能较直观的显示整个核电厂的基本运行状况,是主控室仪控设备的重要组成部分。红沿河3、4号机组CPR1000对原大屏装置并没有提出抗震方面的要求，出于对地震情况下人身安全考虑，追加要求在SSE地震工况下的结构完整性要求。针对在役设备的验证从时间上要求较紧迫。核电厂仪控设备抗震性能验证方法有抗震试验或抗震分析。抗震试验的方法，要求搭建一个相同的系统进行抗震试验，周期长、造价高。抗震分析的方法，能快速定位问题点，有效地缩短验证周期，节省费用，并且方便后续工作的开展。综合考虑，采用抗震分析的方法开展验证工作。

本文针对大屏装置结构件的有限元验证进行研讨，制定抗震性能验证方案；通过对地震载荷进行预评估，为结构方案设计提出设计指标；通过模态分析评估设计方案的可行性；通过反应谱法对详细设计进行抗震分析。

2　大屏装置结构特点及验证流程

2.1大屏装置结构特点

POP大屏装置整体结构形式如图1所示，采用箱式设计，前后箱与底座刚性螺栓连接面错落布置，可提供较强的扭矩作用，减小屏部分的变形。大屏装置底座与地面采用螺栓方式连接，底座上安装箱体，箱体上固定大屏。初步评估有一定的耗能能力和明确的传力路径。

图1　大屏装置结构简图

2.2验证流程

根据需要确定如图2所示的验证流程，考虑先对框架结构进行评价，通过对载荷进行评估，设定框架评价刚度指标，判定框架结构是否满足刚度需求，足够的刚度是满足抗震应力、变形、加速度能力的先决条件。如果不合格进行框架方案设计修改。判定刚度满足要求后对结构进行详细建模，采用反应谱分析的方法对结构进行应力判定。如果不合格进行详细设计修改。如果都合格，流程结束。常用的抗震分析方法有等效静力分析法、地震反应谱法和地震时程分析法。等效静力分析法忽略了地震作用与结构动力特性相关及结构非刚性等关键特性；反应谱法引入了结构动力特性振型、频率、阻尼，实用性较好，且有较高的计算精度；时程分析法以动载荷作为输入，反应时程变化，通常作为反应谱法的补充，准确计算应力和变形与时间的关系。本流程采用地震反应谱法。

图2　大屏装置抗震性能验证流程图

3　载荷及刚度评估

3.1地震载荷评估

大屏安装楼层地震反应谱如图3所示。由图可见水平方向最大响应加速度可达到45m/s2，垂直方向最大响应加速度为11m/s2。水平方向上的载荷远大于垂直方向上的载荷,所以评估框架抗震性能过程中应优先考虑水平加速度的影响。针对地震水平载荷在6Hz至9Hz频率区间位于高加速度响应平台区，大屏箱体及底座频率应该避开该频率区间。综合考虑，大屏箱体及底座整体的频率应大于10Hz，提高结构的抗震能力以及保证大屏设备的较小加速度和变形。

图3　地震反应谱

3.2框架刚度评估

振动模态是弹性结构固有的整体特性，通过模态分析可以搞清楚结构在某频率范围内的各阶主要模态特征，可以预测结构在此频段内自我激励或外部激励产生的实际振动响应。模态分析是研究振动特性的有效途径。采用ANSYS软件对框架结构建立梁单元简易模型，对主框架结构进行预评估。频率越大，刚度越大，即框架的抗变形能力越强。计算框架结构频率见表1。框架固有频率是12.6Hz，满足结构预期刚度指标。

表1　框架模态分析结果

4　地震反应谱分析

4.1模型准备

采用ANSYS软件，根据详细结构进行有限元建模。其中底座的立柱和横梁，以及大屏安装箱体框架简化为梁单元建模，底座的各种底板、侧板或封板、箱体的蒙皮及大屏结构本身等采用板壳单元建模，大屏装置的内部设备及各种门板或辅助设备采用质量单元简化建模。简化的质量模型采用刚性单元与其安装部位连接，结构焊接或铆接部分使用节点耦合的方法进行简化。按上述方法建立有限元模型如图4所示。

图4　大屏装置有限元模型

4.2应力分析结果

结构应力分析主要考虑主框架梁结构和连接螺栓的应力评定，对于表面蒙皮结构对整体结构的刚度影响不大，对蒙皮部分不做判定。计算自重与SSE地震载荷组合工况下梁结构和螺栓应力结果及依据RCC-M进行判定如表2、3所示。通过计算满足结构抗震要求，能保证SSE地震情况下的结构完整性。

表2　梁结构应力结果

表3　螺栓结构应力结果

4.3加速度及变形分析结果

通过抗震分析，可以得到加速度的分布情况，计算SSE工况加速度分布如图5所示。大屏的加速度由下向上逐步增大，最大的加速度位于屏幕的左上角和右上角，最大加速度为33m/s2。地震工况载荷通过底座结构及箱体结构会对大屏产生位移放大作用。由此大屏幕会带来一定程度的变形量。大屏位移分布如图6所示，在屏幕的左上角和右上角会形成最大位移，位移由下往上递增，呈带状分布，主要为结构向前倾时变形所致，结构最大变形为2.7mm。同一水平位置上的位移量除顶部外表现为中部大于两侧，屏幕最大水平自变形约0.6mm。以上数据可以为大屏的相关鉴定试验提供依据。

图5　大屏加速度云图(mm/s2)

图6　大屏位移云图(mm)

5　结论

通过有限元技术在红沿河3、4号机组CPR1000主控室大屏装置抗震性能验证中的应用，通过地震谱分析在役的大屏装置满足SSE地震下结构完整性要求，不需要对结构进行变更；通过对地震载荷进行评估，设定刚度目标，再通过有限元的方法对主框架的刚度进行评估，能有效的缩短验证周期，减小风险；通过抗震分析，掌握了大屏在地震工况下加速度、变形的分布规律，为大屏的鉴定试验提供依据。

[1] 姜智锐, 田虎, 陈卫. 红沿河核电站3/4号机组仪控系统安全级BUP盘台抗震分析[J]. 自动化博览, 2012 (10) : 24 - 26.

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[3] 张波, 盛和太. ANSYS有限元数值分析原理与工程应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[4] 祝效华, 余志祥, 等. ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.

Anti-seismic Analysis of Plant Overview Panel Pedestal in Master-control Room

自从福岛核事故以后，对非安全级系统的抗震性能要求有所提高，对在役非安全级现有设备的验证从时间上要求较紧迫。本文针对红沿河3、4号机组CPR1000对主控室大屏结构及底座抗震要求提升，验证是否满足SSE地震工况下的结构完整性要求，为后续工作的开展提供依据。针对时间要求，采用有限元抗震分析的方法，提出了快速验证流程，通过验证结构能满足抗震要求。通过分析掌握了大屏在地震工况下加速度、变形的分布规律，为大屏设备的鉴定提供数据依据。

大屏装置；抗震分析；方案评估；反应谱分析

Since the Fukushima nuclear accident, the requirement for anti-seismic level of the non-security system has been improved. The verification of the existing equipment in service has also become more urgent. In this paper, we mainly focus on the improved anti-seismic requirement of the plant overview panel (POP) pedestal in master-control room in Hongyanhe No.3 and No.4 (CPR1000) and verify whether the POP pedestal meets the requirement of structural integrity in SSE seismic conditions. In this way, we can provide basis for the follow-up work. For the time requirement, we adopt the finite element based anti-seismic analysis, and propose a rapid verification flow to verify that the structures can meet the requirements of earthquake resistance. Based on the analysis, we obtain the distribution of acceleration and deformation of large screen under the earthquake, thus we can provide data basis for the identification of large screen equipment.

POP pedestal; Anti-seismic analysis; Scheme evaluation; Response spectrum analysis

刘兆峰（1980-），男，满族，河北青县人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电仪控系统机柜抗震分析工作。