核电站电气贯穿件的应力评定及试验验证

朱幼君

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

核电厂安全壳电气贯穿件是安装于安全壳结构上，专门供各类电缆贯穿安全壳的电气设备。作为安全壳结构的重要组成部分，电气贯穿件在核电站运行期间和发生事故时应保证安全壳的结构完整性和密封性不被破坏，因此贯穿件必须在正常工况、异常工况和设计基准事故条件下均能满足力学性能的要求。对电气贯穿件进行全面的应力分析和评定，对核电厂长期、安全运行具有非常重要的意义。

电气贯穿件受力状态复杂，不仅承受自重、设计压力、安全壳内外温差产生的热应力作用，在设计基准事故下还承受环境压力和地震载荷的作用，在各种工况下的力学行为均要满足设计规范的要求。对该类设备直接进行力学分析，存在建模困难和结果验证的问题。由于设备结构复杂，解析法无法实现，而应用有限元分析方法又存在设备复杂结构、组合多种材料的困难，存在几何结构如何简化、连接方式如何等效、材料组合如何确定参数等诸多问题。如果对各个因素的结果相关性进行研究，则对分析工作带来巨大的负担，也给模型分析结果带来不确定性。分析试验法是将失效分析与试验验证相结合,既对设备的完整性进行分析，也对分析模型进行验证试验，通过建模、验证等工作形成一类典型设备的力学评定。在此基础上可将验证后的分析模型推广应用于同类型其他设备的评定，可以达到提高力学性能分析效率的目的。

笔者采用通用ANSYS有限元软件建立电气贯穿件结构模型进行应力分析，通过动态特性试验对有限元分析方法进行验证，并按RCC-M规范对设备在各种工况下的受力情况进行应力分析与评定，为安全壳电气贯穿件的设计提供依据。

1 电气贯穿件的构成与主要参数

电气贯穿件主要由筒体、安全壳内外侧的端子箱、导体组件、密封材料等构成，一般采用双密封设计。导体组件穿过一个充有一定压力氮气的钢制筒体，这一结构可以实现在壳外连续监测泄漏。电气贯穿件与安全壳预埋筒焊接，并穿过安全壳至核岛辅助厂房。导体组件两端与电缆连接，并通过在贯穿件两头安装的端子箱来保护导体连接端子。电气贯穿件的基本结构见图1。

图1 典型电气贯穿件结构

电气贯穿件属于1E级电气设备，同时作为核电站安全壳的压力边界属于核安全2级设备，抗震要求为抗震1级[1]。

2 模态分析

核电站设计中，要求电气贯穿件在电站地震期间和地震后，贯穿件能保持压力边界完整和不丧失功能，因此贯穿件的自振频率应大于33 Hz，以避免地震时结构由于共振而引起失效。

利用ANSYS有限元软件建立电气贯穿件及其连接构件(安全壳预埋筒、安全壳钢套和安全壳法兰)的三维有限元模型。端子箱为薄壁空心结构，贯穿件筒体内部装有纯铜导体，导体组件固定在两端法兰上，中间设有中隔板。模型忽略导体和中隔板的刚度，仅考虑其质量，将质量附加在贯穿件筒体壁上。安全壳预埋筒与钢套固定在安全壳混凝土墙体上，为了与实际情况保持一致，对预埋钢套与安全壳钢衬施加固定约束。

根据结构特点，采用壳单元和六面体八节点体单元对模型进行离散，贯穿件筒体、预埋钢套用壳单元模拟，贯穿件端法兰和端子箱用体单元模拟。整体有限元模型包括6 907个壳单元、1 563个体单元，共8 470个节点。有限元计算模型见图2和图3。

图2 电气贯穿件计算模型

图3 筒体和预埋钢套的网格

电气贯穿件馈通线通常按照额定温度250 ℃设计，可将此温度保守地视为贯穿件的服役温度。模态分析中分别计算常温和高温(250 ℃)两种温度下的模态。贯穿件筒体和端法兰分别选用20号钢管和304L钢板。考虑到材料随温度的变化，常温下的弹性模量取203 GPa，250 ℃高温下材料的弹性模量取188 GPa。提取前四阶模态见表1。

表1 电气贯穿件固有频率 Hz

由表1可知：虽然随着温度的上升，设备的一阶自振频率下降，但是一阶自振频率满足大于33 Hz的设计要求。从设备在常温下的模态振型(见图4)可见：设备一阶振型为一端上下振动，二阶振型为左右振动，三、四阶振型分别为另一端上下和左右振动。

图4 贯穿件前四阶模态

3 试验验证

为了验证自振频率计算与实测的差别，对电气贯穿件样机进行动态特性验证试验。试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室4 m4 m地震台上进行。

模拟现场样机工装与振动台面刚性连接。试验方向的定义与模态分析中的方向定义相同。将与贯穿件轴线垂直的方向定义为X方向，将与之垂直的方向定义为Y方向，将轴线方向定义为Z方向。

样机试验安装方法见图5。

图5 动态特性验证试验

分别在样机三个正交轴向施加白噪声随机波，扫描频率为0.2～100 Hz，在样机的重心点(MA1点)、悬臂端(MA2点)布置加速度传感器，探测设备X、Y、Z方向的一阶自振频率，得出的试验结果见表2。样机在X方向、Y方向和Z方向的自振频率均大于100 Hz。

表2 试验测量各加速度测点自振频率

在样机的抗震分析中，重点需要关注的是结构的一阶自振频率，确保一阶自振频率大于33 Hz，以避免贯穿件在地震中因共振产生破坏。通过仿真分析与试验结果的对比得出一阶自振频率的计算值符合试验测量值。

4 应力分析与强度校核

4.1 应力评定

对于核级承压设备电气贯穿件，为了确保设备的结构设计能满足结构完整性的要求，需要对设备在各级使用限制条件下进行应力分析与评定，这也是安全评定的必要环节。设备载荷包括自重载荷pZ、压力载荷、温度载荷pT、地震载荷等。贯穿件密封筒体设计内压pd为0.5 MPa。设备所受环境压力在设计基准事故时的最大绝对外压pa为0.85 MPa。贯穿件横跨安全壳内外，壳内正常环境温度为+15～+45 ℃，壳外正常环境温度为+5～+45 ℃，pT按正常服役环境的最大温差+40 K考虑。

电气贯穿件具有设计、正常、异常和事故4种工况，强度分析时必须针对这4种工况进行，以保证其在核电厂寿命期内系统压力边界完整、功能不丧失。按照RCC-M第I卷第2册C篇[2]，电气贯穿件在4种工况下的载荷组合见表3。

表3 载荷组合

由表1仿真结果可知：设备的一阶自振频率大于33 Hz，设备的自振频率远大于载荷频率，因此可认为设备具有足够的抗震刚度，可以将其承受地震载荷过程简化，采用等效静力法进行抗震计算，即地震载荷用三个正交方向同时作用的加速度引起的等效静力代替。

分别计算电气贯穿件在各载荷作用下的应力，并对4种工况下的载荷组合进行计算，见表3。图6分别是在自重载荷和SSE载荷下贯穿件筒体应力强度云图。对各载荷作用下的计算结果按表3进行组合，表4为贯穿件筒体和安全壳法兰应力校核结果[3-4](σQ为二次应力)，校核结果为合格。

图6 应力强度云图

工况应力 筒体 法兰 计算值应力限值结论计算值应力限值结论设计σm11.40σS=117合格2.44σS=111合格σm+σb24.891.5σS=175合格3.661.5σS=166合格正常σm11.401.1σS=128合格2.441.1σS=122合格σm+σb+σQ27.291.65σS=351合格7.311.65σS=333合格异常σm21.781.1σS=128合格3.211.1σS=122合格σm+σb+σQ52.831.65σS=351合格9.511.65σS=222合格事故σm38.822σS=234合格6.672σS=222合格σm+σb87.263σS=351合格11.153σS=333合格

4.2 焊缝的补充评定

贯穿件筒体和法兰之间为对接焊缝焊接，第4.1节评定也适用于对全焊透焊缝的要求。如采用角焊缝连接，根据RCC-M焊缝强度的评定准则，角焊缝的抗拉许用应力和抗剪许用应力的修正系数分别是0.55和0.49。由有限元计算模型在筒体和端法兰焊缝处的应力计算结果，可得焊缝在各使用限制下的应力评定结果。

表5为法兰角焊缝应力计算及评定结果。

表5法兰角焊缝应力计算及评定结果MPa

使用限制 抗拉应力 抗剪应力 计算值应力限值计算值应力限值O级3.8341.000.8837.00A级6.8945.002.3340.00B级13.0745.003.1640.00D级16.2383.002.9974.00

4.3 法兰的强度计算和评定结果

依据RCC-M第I卷第2册C篇，平封头和盖板所需厚度Hp可用以下公式计算：

(1)

式中：d为筒体内直径，取253 mm；C为机构特征系数，取0.3；p为内压，取最大工作压力0.5 MPa；k为修正系数，取1；Sm为基本许用应力强度值，取76 MPa。

由式(1)计算可得Hp=9.2 mm，而平封头实际厚度为32 mm，所需厚度小于实际厚度，因此端法兰的设计满足规范要求。

5 结语

笔者采用有限元软件对电气贯穿件在各种工况下的力学行为进行分析，并结合动态特性验证试验，在此基础上根据RCC-M规范对设备进行应力分析与评定。比较抗震分析数据与抗震试验数据，可以得到以下分析结果：

(1) 有限元分析得到的一阶自振频率为172 Hz，试验得到的一阶自振频率大于100 Hz，仿真结果与试验结果一致。

(2) 由试验和分析可知，电气贯穿件一阶自振频率大于100 Hz，满足三代核电标准的大于33 Hz的要求。

(3) 由有限元分析可知，该产品在地震载荷、工作载荷和自重的综合作用下，最大薄膜应力、最大薄膜应力加弯曲应力在许用值内。

在进行产品开发时，可按照分析方法，在产品设计阶段或抗震试验之前对产品进行抗震分析，以了解产品结构上的薄弱环节，进而采取改进措施，提高结构设计水平，同时也为顺利通过抗震试验提供可靠的参考依据。