核电站20t 起重机抗震分析

刘 威

徐州维尔力德重工科技有限公司 江苏徐州 221000

20t 核电起重机用于在反应堆停堆换料或大修期间起吊上部设备闸门盖，使得设备能够运入（或运出）安全壳。根据《设备规范书》的要求，在极限安全地震震动（SL- 2，相当于SSE 表示的地震水平）的载荷下，不应导致设备和载重的破坏，以确保设备和载重不会跌落。为满足供需双方对核电起重机的需求，保证各项性能安全可靠，采用反应谱法对20t 核电起重机进行多种工况的静动力分析研究。

1 数学模型建立

1.1 有限元模型

闸门吊车平台等为箱型结构，通过shell 单元模拟，轴等零件用beam 单元进行模拟。减速器、电动机等不参与计算的部件，因没有进行建模而造成的质量损失，通过修改调整单元密度的方式使模型质量和原车质量一致。起升卷筒和轴承座均以shell 单元模拟。

钢丝绳用Link180 受拉杆单元模拟，通过8 根杆单元来模拟实际起升机构的钢丝绳缠绕方式，能够很好地模拟机构在地震作用下的响应。钢丝绳与起升卷筒通过node 点连接，在地震工况下会造成应力和位移偏大。

1.2 施加边界条件

闸门起吊装置附属结构的质量以均布载荷或集中质量载荷的形式施加在起重机的相应位置，均布载荷以调整模型密度的形式施加。

闸门吊车的上平台结构与连接支座通过螺栓连接点位置进行全位移耦合约束限制自由度；连接支座的焊接位置通过全位移约束限制自由度。这种关联方式比较保守，会造成集中载荷，同时在地震工况下应力和位移会偏大。

上平台结构与连接支座的耦合约束点施加约束如表1 所示，约束点位置参见图1。

表1 上平台结构与连接支座耦合约束用表

2 载荷工况的选取

2.1 阻尼系数的选取

闸门吊车装置支撑平台标高为+27.21m，根据《设备规范书》中提供数据选取+27.21m 的楼面反应谱。根据NB/ T202304- 2013 核电厂起重机设计准则，进行极限安全地震（SL- 2）工况抗震计算时，阻尼比不应大于7%；运行安全地震（SL- 1）工况抗震计算时，阻尼比不应大于4%。综合选取地震阻尼比为4%。

2.2 振型组合

地震情况下，闸门起吊装置的X、Y、Z 三个方向均会受到地震影响，故模型应分别计算这三个方向的受力状况，再对各方向的结果进行叠加。即采用CQC 法，X、Y、Z三个方向谱响应的完全叠加。静载和地震载荷计算结果按照最不利方式进行组合。根据建模情况，Z 方向受纵波影响，X、Y 方向受横波影响。

2.3 工况选取

工况选取考虑的载荷组合见式（1）。闸门吊车工况说明见表2。

表2 闸门吊车工况说明

式中：φ1——起升冲击系数；

φ2——起升动载系数；

检测血清中总胆固醇(CHO)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、空腹血糖(FBG)、血红蛋白(Hb)。CHO、TG、HDL-C、LDL-C、FBG采用氧化酶法,仪器为日本奥林巴斯AU400,试剂为奥林巴斯配套试剂;Hb采用氰化物法,仪器为日本希斯美康KX-21N,试剂为希斯美康配套试剂。

PG1——吊车上平台的重力；

PG2——吊钩组的重力；

Pq——起升重物的重力。

3 有限元分析结果

静力分析、SL- 2 分析和相应分析结果的提取分别见图2、图3 和表3—表5。

图3 SL- 2 工况Von Mises 等效应力及位移矢量和云图

表3 应力分析结果

表4 位移分析结果

4 SL- 2 工况起重机平台固定螺栓受力计算

应力云图及表5 螺栓支座反力显示，点7916 处螺栓受力最大，因此提取该处的力验算螺栓强度。根据GB/ T3811- 2008 中5.4.2.2.2.1，单个摩擦型高强度螺栓承载能力计算式见式（2）。

表5 螺栓连接支反力

式中：[Pt]——受拉连接中单个摩擦型高强度螺栓许用承载能力，71kN；

σs1——高强螺栓材料屈服点，640MPa；

A1——螺栓有效截面，353mm2；

n——安全系数，1.48；

式中：σf——螺栓所受拉伸应力值，96.36MPa；

N1——螺栓所受轴向力，34015N。

螺栓抗剪强度校核见式（4）。

式中：τf——螺栓所受剪切应力值，83.87MPa；

根据第三强度理论，计算复合力（式5）。

式中：σp——螺栓应力值，193.4MPa；

表6 螺栓计算校核结果汇总

5 结论

通过以上分析结果可知，整机的最大变形发生在下部闸门吊车SL- 2 工况吊钩处，数值为84mm。通过与支撑平台和底架的变形数值对比发现，该处的变形主要由钢丝绳穿线的方式、钢丝绳受拉伸长，以及地震影响下重物的摆动造成。虽然对整机结果的安全性影响不大，但要考虑重物摆动时对厂房内其他物件的影响。

由分析云图可知，闸门吊的最大应力出现在吊车与安装平台螺栓连接处，静力工况计算最大应力为144MPa，小于233MPa；SL- 2 地震工况计算最大应力为185MP，小于许用应力345MPa；螺栓连接最大应力为193.4，小于234MPa。以上结果均满足《GB/ T3811- 2008 起重机设计规范》及《NB/ T20234 核电厂专用起重机设计准则》中所提到的要求，所以起重机及其平台的强度满足抗震要求。