大型商用飞机撞击载荷对核电厂管道的影响分析

梁建刚，彭 建，吴高峰

(中广核工程设计有限公司,广东深圳 518172)

0 引言

2001年美国“9·11事件”震惊了全世界，核电厂在大型商用飞机撞击下的安全问题也成为公众关注的焦点[1]。核电站抵御飞机撞击的问题已引起了国际上的普遍重视。我国核安全法规和核安全导则都有关于核电厂遭遇飞机撞击时的要求。国际核行业对于核电厂遭遇大型商用飞机撞击的法律法规也在逐步完善。健全核电厂超设计基准飞机撞击的法规标准是一项具有重大意义的工作，是我国拥有完整核电技术体系不可缺少的一部分[2]。

美国联邦法规10CFR50.150明确要求新设计核电厂需考虑大型商用飞机的撞击，欧洲三代核电站需考虑大型商用飞机撞击和军用飞机撞击的事件[3]。我国新版《核动力厂设计安全规定》(HAF 102—2016) 中明确了对大型商用飞机撞击事件的要求。为了支持联邦法规10CFR50.150的实施，2011年美国核管会正式出版导则RG1.217,并确定美国核能研究院NEI07-13中提供的方法可作为飞机撞击评估的方法。NEI07-13中列出飞机撞击产生的几种效应及相应的评估要求，没有提供对冲击振动计算分析的具体方法，仅给出了飞机撞击下的振动评价规则、设备远离撞击位置相应的最佳易损度下的加速度限值。美国西屋公司在开展AP1000堆型研发过程中，进行了大量的试验验证分析工作，包括飞机撞击的缩比试验验证等；美国ANATECH公司在与韩国公司进行核电厂评估设计过程中开展了振动计算分析研究，并对飞机撞击振动分析评估进行相关的研究，给出了飞机撞击下的加速度等值线，可为安全相关设备的布置提供指导。台山EPR项目中关于大型商用飞机撞击产生的振动效应，在设计文件中没有具体的计算方法描述，仅提及EPR项目采用了专设APC壳结构，飞机撞击产生的振动楼层反应谱被地震楼层反应谱包络。

目前，国内对大型商用飞机撞击的研究比较重视，上海核工程研究设计院牵头开展了核电厂抗大型商用飞机撞击的国家重大专项课题研究；中国核电工程有限公司依托华龙一号项目开展了大型商用飞机撞击核电厂时的碰撞动力分析、振动分析和火灾防护分析。

国内外学者针对飞机撞击建(构)筑物进行了大量的研究工作，取得了丰硕的成果，包括撞击载荷、撞击毁伤效应、撞击引起的振动特性等[4]。本文选取某核电厂一个管道单元，借助管道分析软件PIPESTRESS对管道单元开展反应谱分析，获得大型商用飞机撞击谱下的管道响应，并将管道单元在大型商用飞机撞击谱和地震谱下的响应进行分析，分析管道在大型商用飞机撞击谱和地震谱下的响应差异；并对大型商用飞机撞击载荷评定方法进行探讨，为后续管道抗击大型商用飞机撞击设计提供技术支持。

1 反应谱分析

反应谱分析主要用于时间-历程分析，以便确定结构对随机载荷或随时间变化载荷的动力响应分析情况，如地震、飓风、海洋波浪等。反应谱分析理论创立以来历经几十年的历史，为地震工程和抗震设计奠定了理论基础，在工程实践中，尤其对结构抗震计算具有十分重要的意义[5-8]。本文采用反应谱分析方法对选取的管道单元开展分析，获得大型商用飞机撞击谱和地震谱下的管道动态响应。

1.1 管道单元选取

选取某核电厂燃料厂房PTR系统的一个管道单元作为典型单元开展分析。该PTR管道单元布置标高处于-4.500～18.300 m之间，规范等级为3级，管径外径DR=323.8 mm，壁厚TR=4.57 mm，设计温度T=110 ℃，设计压力P=1.0 MPa，介质密度1 000 kg/m3。基于PIPESTRESS软件建立的某核电站PTR管道单元模型如图1所示。

图1 某核电站PTR管道单元模型Fig.1 Model of the PTR pipeline unit for a nuclearpower plant

1.2 大型商用飞机撞击谱和地震谱分析

大型商用飞机撞击谱和地震谱分别见图2,3。飞机撞击谱水平方向最大加速度21.5g，频率分布在25.0～47.0 Hz之间；飞机撞击谱竖直方向最大加速度7.8g，频率分布在38.0～58.0 Hz之间。地震谱水平方向最大加速度4.3g，频率分布在3.4～8.4 Hz之间；地震谱竖直方向最大加速度2.2g，频率分布在4.0～6.9 Hz之间。

图2 大型商用飞机撞击谱Fig.2 Large commercial aircraft impact spectrum

图3 地震谱Fig.3 Seismic spectrum

大型商用飞机撞击谱的峰值加速度远大于地震谱的峰值加速度；峰值加速度分布的频率段不同，飞机撞击谱峰值加速度处于较高频率段，地震谱峰值加速度处于较低频率段。

1.3 截止频率及模态

动力分析时截止频率的选取至关重要，合理地选取截止频率才能获取正确的动力分析结果。本文地震分析时截止频率取100 Hz，大型商用飞机撞击分析时截止频率取100 Hz，频率分布如表1所示。

表1 频率分布Tab.1 Frequency distribution

1.4 大型商用飞机撞击谱和地震谱下的管道响应分析

采用PIPESTRESS软件开展反应谱分析，得到大型商用飞机撞击谱下的管道最大响应在PIPESTRESS模型中的115节点处，飞机撞击谱下管道的最大应力为372.20 MPa，见图4。

图4 大型商用飞机撞击谱下的管道应力分布Fig.4 Pipe stress distribution under the impact spectrum of large commercial aircraft

采用PIPESTRESS软件开展反应谱分析，得到地震谱下的管道最大响应在PIPESTRESS模型中的115节点处，地震谱下管道的最大应力为89.57 MPa，见图5。

图5 地震谱下的管道应力分布Fig.5 Pipe stress distribution under the seismic spectrum

大型商用飞机撞击谱下的管道响应远大于地震谱下的管道响应，主要有三个原因：(1)大型商用飞机撞击谱的峰值加速度远大于地震谱的峰值加速度；(2)大型商用飞机撞击谱和地震谱的峰值加速度频率分布区间差异很大，大型商用飞机撞击谱峰值加速度处于25.0～47.0 Hz频率之间，而地震谱峰值加速度处于3.4～8.4 Hz频率之间；(3)管道单元固有模态在6.5～50 Hz区间分布呈高度密集分布，50 Hz后开始呈逐渐稀疏分布。

2 评定准则探讨

美国联邦法规10CFR50.150将大型商用飞机的撞击事件确定为超设计基准事件。通过动力分析获得大型商用飞机撞击载荷下的管道响应，对于评价大型商用飞机撞击下的管道响应，相关法规标准没有给出评定准则。台山EPR项目采用了APC壳结构，飞机撞击产生的振动楼层反应谱被地震楼层反应谱包络，避免了对大型商用飞机撞击产生的振动效应开展详细分析。但JIN等[9]对大型商用飞机撞击核电站引起的振动特性进行了初步分析，指出飞机撞击引起的振动不同于地震事件,飞机撞击载荷与地震载荷相比，持续时间短，撞击引起的振动频率主要集中在高频，并建立了核电站简化模型，研究了不同参数对振动特性的影响；孙德纶等[10]明确指出，对于飞机撞击所引起的安全壳响应，从加速度来看，地震引起的低频响应严重，而飞机撞击引起的高频响应严重。综上所述，大型商用飞机撞击核电站产生的振动效应及评定准则是当下需要研究的方向。

3 管道评定及优化分析

基于对大型商用飞机撞击载荷缺少可供参考的评定准则，充分借鉴对地震评定准则的成熟经验。将管道在飞机撞击谱下的响应按照RCC-M规范D级准则进行评定。管道应力评定准则见表2，管道应力评定结果见表3。

表2 管道应力评定准则Tab.2 Pipe stress assessment criteria

表3 管道应力评定结果Tab.3 Pipe stress assessment results

地震谱下管道应力评定公式(10)应力比为0.384，大型商用飞机撞击谱下管道应力评定公式(10)应力比为1.480，选取的管道单元能承受地震载荷，但是无法承受大型商用飞机撞击载荷。

为使选取的管道单元能承受大型商用飞机撞击载荷，对选取的管道单元开展优化分析。以RCC-M规范D级准则公式(10)应力比≤1.0为目标，采用优化支架的措施，对所选管道单元进行优化分析，优化后的管道单元需要修改1个支架功能，增加3个刚性支架和7个阻尼器。优化后的管道单元布置见图6。

图6 优化后的管道单元布置Fig.6 Optimized pipe unit layout

4 结论

本文对大型商用飞机撞击核电厂的研究情况进行分析，并研究了振动效应对管道的影响，得到如下结论。

(1)通过反应谱分析获得大型商用飞机撞击谱和地震谱下的管道响应，对比了大型商用飞机撞击谱下的管道响应和地震谱下的管道响应，得到两种谱的管道响应的差异原因，主要有：谱的峰值加速度差异；谱的频率分布区间差异；选取计算单元的固有模态分布差异。

(2)对大型商用飞机撞击下管道的评定方法进行探讨，并使用RCC-M规范D级准则对选取的管道单元进行评定，选取的计算单元能承受地震载荷，但是无法承受大型商用飞机撞击载荷。为使选取的管道单元能承受大型商用飞机撞击载荷，对其开展优化分析，提出管道单元能承受大型商业飞机撞击载荷需要采用的措施。