核电厂关键设备事故工况下密封性能研究

2020-07-05霍嘉杰赵英昆包博宇晋文娟

核安全 2020年3期

李华，霍嘉杰，赵英昆，包博宇，晋文娟

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂安全壳的密封性和安全性尤为重要［1，2］。相对于其他安全壳承压边界设备，人员闸门的尺寸较大、结构复杂，可作为安全壳承压边界中的设备进行重点分析［3］。考虑到人员和其他小型设备可以通过人员闸门进入安全壳，人员闸门也同样承担着包容放射性物质泄漏的作用。

人员闸门作为安全壳压力边界的一部分，其密封性能和功能正常对安全壳的意义非常重大［4，5］。考虑到安全壳内部和外部环境的隔离要求，人员闸门也必须同时具备安全壳所要求的密封性和安全性。作为第三道安全屏障的一部分，人员闸门在事故工况下具有防止放射性物质泄漏的功能。因此，在事故工况下，人员闸门密封结构的设计对整个核电厂的安全具有十分重要的意义。同时，本文对核电厂干法贮存容器中密封结构的设计具有指导意义。

1 人员闸门模型建立

1.1 几何模型

人员闸门主要由承压边界和内部传动设备等组成，本文进行密封性能研究时，主要考虑主体承压部件和相关密封结构。人员闸门承压边界主要有贯穿筒节、内外筒节和门框门板等，贯穿筒节由四周混凝土结构固定在安全壳上，并与安全壳内侧的钢衬里焊接密封。门框设置于筒节两端，朝向堆芯的承压门。承压门上装有双道硅橡胶密封圈，通过锁紧结构的4根锁紧轴销将门压在门框上实现密封。

本文计算中，将人员闸门主要承压部件和锁紧机构外的其他内部传动机构的质量均摊在筒节和门板上，不建立实体模型，以简化整体模型，同时保证计算结果保守可靠。人员闸门内筒节和外筒节结构模型如图1和图2所示。

图1 人员闸门内筒节结构模型Fig.1 Structure model of internal sleeve of personnel air lock

图2 人员闸门外筒节结构模型Fig.2 Structure model of external sleeve of personnel air lock

1.2 载荷及位移边界条件

根据人员闸门的几何结构，本文采用SOL⁃ID185 单元建立内筒节和外筒节主要承压部件、密封门以及锁紧轴销的模型。由于人员闸门贯穿筒节部分内嵌于安全壳混凝土中，该部分可认为刚性固定，因此，在内、外筒节模型中，对与安全壳连接处筒体边界施加刚性约束。

在事故工况下，为了保障安全壳结构的完整性，根据标准审查大纲［6］，需考虑的载荷有自重载荷、安全壳内压力载荷和SSE 地震载荷等。同时，人员闸门不仅在反应堆运行或热停堆时需要满足人员和小型设备通过的要求，还要考虑在事故工况下人员紧急撤离的要求。即该过程中人员和小型设备产生的载荷同样需要考虑在各工况计算中。

人员闸门承压门门体位于堆芯侧，开启方向面向堆芯，通过门板上锁紧结构锁紧轴销将门压紧，事故工况下，安全壳内部为正压，门体处于压紧状态。在压力作用下，门板中心将向外侧凸起产生变形，同时压紧在门框上的门板边缘部分向堆芯侧翘起，导致门板密封圈处与门框产生分离趋势。本文模型将门体与门框边线接触处节点对应方向的位移进行耦合。同时，将锁紧轴销分别与门体和门框连接处节点对应方向的位移进行耦合。人员闸门内筒节的有限元模型和边界条件如图3所示，外筒节的有限元模型及边界条件如图4所示。

图3 人员闸门内筒节有限元模型Fig.3 ANSYS model of personnel air lock internal sleeve

图4 人员闸门外筒节有限元模型Fig.4 ANSYS model of personnel air lock external sleeve

为了保证事故工况下放射性物质不外泄，人员闸门有联锁设定要求，即保证贯穿安全壳内外的两个门不能同时打开，进而导致在分析其密封性过程中需要考虑多种工况，主要包括内、外门分别只有一侧打开时和二者同时处于关闭状态3 种工况。事故工况下，当只有安全壳内的门处于打开状态时，人员闸门外筒节承受的内压为0.42 MPa；当只有安全壳外的门处于打开状态时，人员闸门内筒节承受的外压为0.42 MPa；当两门均处于关闭状态时，内筒节外表面亦承受安全壳内压力的作用，为0.42 MPa。本文事故工况计算中采用的地震载荷楼层反应谱水平方向数值见表1，竖直方向采用的反应谱数值见表2。

表2 竖直方向楼层反应谱数值Table 2 Floor response spectrum values in vertical direction

2 人员闸门抗震计算

在对人员闸门进行事故工况下的密封性研究时，本文需要同时考虑多种载荷叠加，尤其是事故工况下的SSE 地震载荷。进行抗震计算前，首先需要对人员闸门进行模态分析，本文采用Block Lanczos 方法对人员闸门整体结构进行模态分析，可以得到第一阶频率为49 Hz，阵型如图5所示。

图5 人员闸门整体结构一阶阵型Fig.5 First order formation of overall structure of personnel air lock

根据模态分析的结果可以看出，人员闸门的第一阶频率大于楼层反应谱的截断频率，因此，在计算中可以采用楼层反应谱的零周期加速度进行抗震计算［6］。因此，本文在研究事故工况人员闸门的密封性能时，可采用等效静力方法考虑事故工况下的地震载荷对人员闸门各结构件密封性的影响。

3 人员闸门门板密封性分析

人员闸门承压门门板上装有双道硅橡胶密封圈，通过锁紧机构的4根锁紧轴销将门压在门框上实现密封。在事故工况下，无论承受外压还是内压，均可能导致门板与门框边缘发生分离，本节通过计算事故工况下门板与门框的轴向相对位移对密封性进行分析，研究事故工况下各种情况时人员闸门的密封性能。

3.1 内筒节门板密封性分析

事故工况下，当人员闸门只有安全壳内的门打开时，内筒节的内部和外部所受压力相同，因此，计算中只考虑其自重和SSE地震载荷的作用；当人员闸门内门关闭，外门打开时，内筒节在反应堆厂房内的外表面受到压力作用，在承受自重载荷、SSE地震载荷的同时还承受外压载荷作用；当人员闸门内门和外门同时关闭时，内筒节同时承受自重、SSE地震和外压载荷作用。在内筒节密封性分析时，本文取3种情况中能包络所有载荷工况的情况进行计算分析，即上述所有载荷叠加的情况。

人员闸门内筒节事故工况门板变形产生的轴向位移如图6所示。由图可知，门板与门框在事故工况压力载荷作用下位移方向一致，取门板上的最大轴向位移2.029 mm作为门板与门框间的轴向相对位移。根据人员闸门门板密封圈性能，门板保持密封状态时，密封圈压缩量不得小于3 mm，即人员闸门门板与门框间的轴向相对位移量应小于3 mm。因此，通过计算可知事故工况下人员闸门内筒节门板密封性能满足要求。

图6 人员闸门内筒节轴向位移云图Fig.6 The cloud chart of axial displacement of personnel air lock internal sleeve

3.2 外筒节门板密封性分析

在事故工况下，当人员闸门只有安全壳外的门打开时，外筒节的内部和外部所受压力相同，因此，计算中只需考虑自重载荷和SSE地震载荷；当只有安全壳内的门打开时，外筒节内表面受到压力作用，除了自重、SSE地震还要承受事故工况下的内压载荷作用；当人员闸门两门均处于关闭状态时，外筒节仅承受自重和SSE地震载荷作用。在外筒节密封性分析时，本文取3种情况中能包络所有载荷工况的情况进行计算分析。此外，外筒节的设计过程中需要考虑在事故工况等紧急情况下人员和小型设备通过时产生的集中载荷，本文将该载荷全部施加到外筒节最外侧一组通道支撑上，以考虑最危急的极端情况。

人员闸门外筒节事故工况门板变形产生的轴向位移如图7所示。由图可知，门板与门框在事故工况压力载荷作用下位移方向一致，本文取门板的最大轴向位移作为门板与门框间的轴向相对位移，位移值为2.105 mm，小于门板保持密封状态要求的密封圈压缩量3 mm。因此，事故工况下人员闸门外筒节门板密封性能满足要求。

图7 人员闸门外筒节轴向位移云图Fig.7 The cloud chart of axial displacement of personnel air lock external sleeve

4 锁紧轴销强度分析

上一节对事故工况下人员闸门门板的密封性能进行了分析。计算结果显示，各种载荷叠加作用下门板与门框发生形变产生了相对位移，进而会导致压紧门板的锁紧轴销产生较大的剪切应力，因此，本文需要对事故工况下锁紧轴销的剪切强度进行分析。

事故工况下，人员闸门内门和外门锁紧轴销应力强度云图分别如图8和图9所示。本文取应力强度的1/2作为锁紧轴销剪切应力，可得内门锁紧轴销最大剪切应力为59 MPa，外门锁紧轴销最大剪切应力为58.5 MPa。根据RCC-M 规范中ZVI 2213 节［7］可计算得到事故工况下锁紧轴销的许用剪切应力限值为68.8 MPa。因此，事故工况下人员闸门内门锁紧轴销和外门锁紧轴销最大剪切应力均小于许用值，即满足强度要求。