AP1000核电厂海水循环泵地震响应分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

大型双基础立式循环泵机组是 AP 1 000核电厂循环水系统中的核心能动设备。该泵机组的可靠性对于核电机组的正常运行具有重要意义。

国内外众多专家在建筑、核电主泵、鼓型滤网钢架构等设备的抗震分析方面做了很多工作， 但针对大型立式循环水泵抗震的研究还很少，国内外相关的文献资料比较鲜见。因此，作为 AP1000机组中功率最大的泵设备，双基础立式循环泵是 AP1000核电厂国产化序列中的重要设备之-，对于该泵在地震载荷下的特性和响应进行分析和优化具有很重要的现实效益。

2 循环泵结构及参数APIO00的立式循环泵机组采用双基础布置方式，其结构主要包括：进水流道、泵体、导叶、转子部件、联轴器及电机等部件 (图 1)。圆筒形泵体安装固定在下层基础上，电机则安装在上层基础上。电机与转子部件之间采用刚性联轴器连接，出水弯管布置在上下基础之间与出口管路相联，整个泵机组及安装基础位于常规岛的循环水系统泵房内。

目前的AP1000核电厂采用3台并列安装运行的立式循环泵，单台泵机组的设计流量 Q。

21 m /s；设计点扬程/-/o12 m；机组最大流量达收稿日期：2012.08-03；修回日期：2012.12.10基金项目：国家科技支撑计划项目(2011BAF14B04)出 口图 1 立式循环泵机组结构简图Fig.1 Structure ofVertical Circulation Pump26 m3/s， 电机功率 4000 kW；叶轮设计比转速Ns5 10；设计采用斜流式叶轮水力模型以及经过优化的进口和出口流道模型，形成流畅、合理的内部流场，以达到高效、可靠的设计要求。

3 分析方法及模型3.1 地震响应分析方法目前核电设备地震响应分析的方法主要包括：等效静力法、响应谱法和动力分析法。为了获得立式循环泵在地震载荷下的响应值，采用响134 核 动 力 工 程 V0l34.NO.3.2Ol3应谱法对其泵体结构响应进行分析。

响应谱分析法是-种基于线性系统的模态叠加法，通过将单 自由度的模态方程解组合来解决多自由度的动力响应问题，其基本运动矩阵方程为：Mx”Cx KxF (1)式中， 为系统质量矩阵； 为系统粘度矩阵；为刚度矩阵；F为外部载荷的矢量矩阵；X为位移向量；X 为速度向量；X”为加速度向量。

针对系统的基本运动微分方程，利用模态分析结果，通过矩阵变换将位移向量解出，带人基本运动微分方程，从而获得单独模态条件下的微分变换方程，并获得其位移向量解，其微分变换方程如下：2fiogq ∞ 叩 (2)式中，叩为位移向量变换矩阵； 为模态I临界阻尼比；09为固有频率；仃为模态相关矩阵。由此微分方程可解得单独模态条件下的位移向量解，以此方法分别针对各模态方程进行求解，最终按照规范的组合方式合成系统总体结构响应。

3.2 有限元模型分析采用有限元软件ANSYS的谱分析拈，并利用其前处理功能进行建模和网格划分，以获得良好的有限元分析模型。

根据循环泵结构特征 ，该泵主要承压及支承部件为圆筒形泵体，其内部各零件之间采用螺栓紧固联接并通过地脚螺栓固定在下层基础上，整个转子部件仅与电机直接联接，转子部件与泵体压盖之间通过密封件进行密封。根据规范要求 j及以往研究结果，采用相应去耦分析原则建立循环泵响应谱分析的有限元模型，最终建立以泵体为分析主体系的有限元模型。

泵体及其附属部件按照结构设计尺寸采用壳单元建模，以实现泵体主结构特征，内部附属的导叶、过流板等部件按照质量点处理，并与泵体模型进行合理联接，模型根据底脚螺栓部件位置进行相应的完全约束。

4 模态分析及讨论4.1 模态分析结果根据以往经验及核电规范的分析要求，模态分析忽略了部分高阶频率，只针对该泵模型的前10阶自然振动频率及其振型进行求解，其各阶振动频率如表 1所示。泵体模型的前 2阶振型如图2所示 (图中MX、MN分别为振型中位移最大和最小处标识 )。

表 1 模态分析结果Table 1 Result of Modal Analysis阶数 频率，Hz 阶数 频率，Izl 17.5 6 54.82 l8.8 7 55.33 37.6 8 55.94 45.8 9 67.05 46.1 lO 67.8MX MXa 1阶振型 b 2阶振型Mx--最大值；MN--最小值；下同图2 1阶、2阶振型Fig.2 1st and 2nd Order Mode Shape前2阶振型均以泵体的横向弯曲振动为主，该振型与普通转子部件的低阶横向弯曲振型情况类似。其第 3和第7阶振型为泵体进口喇叭管的弯曲振动变形，后续振型变化逐渐复杂化，其高阶振型以出口弯管附近结构的振动变形为主。

4.2 模态分析讨论由于循环泵泵体的结构尺寸较大，其简体直径约为2.8 m，整体长度约为 12 m，而其设计壁厚相对非常校因此，除了其整体结构的低阶横向弯曲振动之外，在其结构尺寸变化较大的进口喇叭管处出现了明显的局部模态现象，反映了泵结构在进口喇叭管处的局部刚度较校从前 2阶振型图可看出，其 l阶振型以泵体在与出VI管路垂直的主轴平面内的横向弯曲为主，2阶振型则以与出口管路平行的主轴平面内的横向弯曲为主，且其频率相差较小，因此可知，该模型的总体结构在上述两方向上的刚度较低，该薄弱点受到立式泵结构特征的限制，只有通过合理设计以增强其抗震强度。

欧鸣雄等：AP1000核电厂海水循环泵地震响应分析5 响应谱分析及讨论5.1 谱分析条件及组合方法根据设备地震响应分析规范的要求，以设备地基标高处的场所安全停堆地震 (SSE)响应谱作为设计地震载荷输入。根据美国核管会(NRC)Regulatory guide 1.61规范要求，使用结构临界阻尼比4%及其对应的加速度谱值，选择在互相垂直的2个水平方向和1个竖直方向对模型进行响应谱分析 。

由于响应谱分析得到的是基于最大响应的模态结果，基于各方向激励和模态响应的独立性原则，根据分析规范要求，将结构在响应谱分析后获得的响应结果按照平方和的平方根 (SRSS)方式进行组合，即：， . 、0 5研(∑ ： ∑ ) (3)式中， T为模型节点的组合响应值；Rf为节点在模态 i方向.门 的响应值；n为振型叠加总数。

5.2 载荷组合及分析结果根据上述输入条件及响应组合方法可得到模型在设计地震载荷下的节点位移及应力响应值，按照设备分析规范要求，其在SSE工况下的载荷组合及应力评定准则如表2所示。

表2 载荷组合及应力评定标准Table2 LoadingCombination andStress Acceptance Criteria等级 载荷组合 部件 评定准则设计内压自熏 泵体 口lm≤2.OSDSSE管道载荷 承压件 ≤2.4S注： -薄膜应力；口广 弯曲应力； -许用应力立式循环泵结构在设计地震工况下承受的载荷包括：设计内压、自重、SSE及管道载荷。

在模型分析时，将 SSE响应谱分析结果与考虑设计内压、自重及管道载荷的静力分析结果进行叠加，得到地震工况下的结构最大组合应力及位移值，从而对立式循环泵设备在设计地震工况下的强度和可运行性进行有效评估。

根据载荷组合及分析的结果，得到循环泵模型在上述地震工况下的薄膜应力及位移分布分别如图3和图4所示。

模型在地震工况下的最大薄膜应力为 1 7 lMPa，薄膜加弯曲应力为 173/Vla，最大应力节薄膜应力/MPaM XO 19.0 38.1 57.1 76.2 95.2 l14 133 152 17l图3 薄膜应力分布云图Fig.3 Membrane Stress Contour ofM odel位移/mm O.974 1.948 2.923 3.897I I I I I I I J0 0.487 1.461 2.436 3.4l 4.384图4 模型位移云图Fig.4 Displacement Contour ofM odel点均位于泵体上端的加强筋外缘。泵体最大位移为4.384 real，最大位移节点位于泵体最下端的进口喇叭管外缘。

5.3 分析讨论根据模型分析结果及表 2的评定准则，其泵体材料的许用应力为 120 MPa，因此其结构应力满足评定准则：O'm2.0S； m ≤2.4S。

根据图 5，在叶轮安装位置处的泵体最大位移不超过3.4 mm，该处结构设计的最大允许间隙为 5 mm，该处动静部件之间能够保持安全运行。

根据上述分析可知，在SSE工况下，该立式循环泵结构能够满足规范要求的结构完整性和可运行性的要求。

6 总结(1)该大型立式循环泵的结构设计能够满足其在 SSE工况下的完整性及可运行性要求，从而保证为循环水系统提供稳定的介质循环动力。

(2)根据响应谱分析结果，该结构的主要位l36 核 动 力 工 程 Vo1.34.No.3.20l3移变形量均位于水平面内，其前2阶横向弯曲振型在水平响应谱分析中的有效质量比达 48%，除此之外，在水平 J，向响应谱激励下，其第4阶振型的有效质量比也达 44%。因此，泵体的低阶振型是影响其结构位移的主要因素，针对循环泵结构的进-步优化工作应集中于其低阶模态上。

(3)在实际运行工况下，立式循环泵的泵体大部分浸没在进水池内，因此在受到地震载荷激励时，还会受到水池内水体的晃动冲击效应，该部分载荷会受到水池结构尺寸及循环泵机组安装位置的影响，因此在实际设计中还应予以-定考虑。