核电站关键设备事故工况下抗震性能研究

李 华，孟祥盖，霍嘉杰，邵 睿，缪 岭

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

在核电站中，安全壳作为防止放射性物质泄漏的最后一道屏障，它的密封性和安全性对减少核事故对环境的影响起着至关重要的作用[1，2]。人员闸门是安全壳上的贯穿件，为人员和小型设备进出安全壳提供通道。

人员闸门作为安全壳压力边界的一部分，承担着外界大气环境与安全壳的隔离作用，需要具备密封性和安全性，保证人员闸门的结构完整性和功能性。人员闸门除了供人员和小型设备在反应堆运行及热停堆时通过，还必须满足事故工况下人员紧急撤离的要求[3，4]。因此，对人员闸门在设计中对于事故工况下结构的抗震性能进行研究有着重要意义。

1 模型的建立

1.1 人员闸门的几何模型

人员闸门为钢制筒型结构，由一个圆柱形钢壳、两端门框和门板组成。筒节分为3段，包括内筒节、贯穿筒节和外筒节，贯穿筒节的贯穿锚固定在反应堆安全壳上，并与安全壳衬里焊接相连。

除了构成安全壳承压边界的筒节等部件外，人员闸门还包括升降底板、传动机构和联锁机构等部件。在抗震计算中，为了简化模型结构，除了人员闸门主要承压部件，其余部件未考虑，相当于忽略了机构增加的刚度，但是将其质量均摊到设备上，加大了质量载荷，降低了设备基频，是保守的考虑。而其他内部结构对计算中工况载荷没有附加影响。因此，模型简化合理。人员闸门整体结构模型如图1所示。

1.2 网格划分

图1 人员闸门整体结构模型Fig.1 The model of the personnel air lock

在有限元分析中，建立有限元模型是关键，而其中进行网格划分时，必须选取合适的单元[5]。根据人员闸门的几何结构，虽已简化内部传动构件，但由于人员闸门贯穿安全壳内外整体结构过大，若全部采用实体单元建模，将导致节点和单元数量过多，加大建模难度和计算机复杂性。考虑到人员闸门筒节和门板等均为典型的薄壳结构，采用壳单元模拟既可以简化模型又能显著减少计算量[6，7]。因此，本文在进行模态分析时采用SHELL181单元建立人员闸门的整体壳单元模型。只在对内、外筒节进行局部抗震分析时，采用SOLID185 单元分别建立内、外筒节局部实体模型。

1.3 载荷及位移边界条件

人员闸门贯穿筒节部分内嵌于安全壳混凝土中，该部分在整体结构分析时刚性固定约束；内外筒节局部分析时，与安全壳连接处筒体边界刚性约束[8]。人员闸门整体结构有限元模型如图2所示。

图2 人员闸门整体结构有限元模型Fig.2 The finite element model of the personnel air lock

模型中考虑人员闸门自重载荷时，将其内部传动机构等部件的重量均布于筒节行走平台下的部分,将门板上各机构附件的质量均摊在门板上，人员和小型设备等通过时的载荷作为集中力施加在通道底板支撑结构上。

人员闸门作为安全壳压力边界的一部分，需要承受安全壳内部正常运行时的压力，甚至事故工况下的压力。本文抗震计算中考虑事故工况下安全壳内压力载荷和SSE 地震载荷。同时，由于人员闸门存在内门或外门打开的情况，因此，需要分别对各种情况下内、外筒节进行局部抗震分析。人员闸门内、外筒节局部模型如图3和图4所示。

图3 人员闸门内筒节局部模型Fig.3 The finite element model of the internal sleeve

图4 人员闸门外筒节局部模型Fig.4 The finite element model of the external sleeve

由于人员闸门联锁设定要求，除了在冷停堆时内、外门不可同时打开，所以，在局部抗震分析中需要考虑人员闸门内门打开外门关闭、内门关闭外门打开和内门外门同时关闭3种情况。事故工况下，当人员闸门内门打开外门关闭时，对外筒节局部模型施加内压0.42 MPa；当内门关闭外门打开和内门外门同时关闭时，内筒节局部模型施加外压0.42 MPa。

局部抗震分析中SSE地震载荷采用人员闸门安装标高处的楼层反应谱作为计算输入，各个方向的加速度及响应频谱值如表1和表2所示。

表1 水平方向楼层反应谱数值Table 1 Horizontal floor response spectrum

表2 竖直方向楼层反应谱数值Table 1 Vertical floor response spectrum

2 模态分析

通过对人员闸门整体壳单元模型进行模态分析，可以得到其第一阶频率为49.0 Hz，第二阶频率为49.1 Hz，前两阶阵型如图5 和图6 所示。由图可知，前两阶阵型中主要为人员闸门外筒节部分振动，且由于其内部所有传动部件的重量均布于行走平台下的筒节部分，可以看出筒节下部振动更为明显。

3 人员闸门局部抗震分析

由模态分析结果可知，人员闸门第一阶频率大于截断频率。因此，可以采用零周期加速度进行抗震计算[9]。本节分别对人员闸门内、外筒节局部结构进行抗震分析，研究事故工况下各种情况时人员闸门的抗震性能。

图5 人员闸门整体结构一阶阵型Fig.5 The first modal of the personnel air lock

图6 人员闸门整体结构二阶阵型Fig.6 The second modal of the personnel air lock

3.1 载荷及位移边界条件

事故工况下，人员闸门内门打开外门关闭时，内筒节内外压力相同，只受自重和SSE地震载荷作用；内门关闭外门打开和内门外门同时关闭时内筒节同时承受自重载荷、SSE地震载荷和外压载荷作用。由于后者载荷工况包络前者，因此，在内筒节局部抗震分析时仅考虑后者所有载荷叠加的情况。

人员闸门内筒节整体结构事故工况下第一主应力云图如图7所示。由图可知，应力较大处主要位于筒节和门框连接处以及筒节和门架连接处。将内筒节的筒节和门框门板单独提取出来可以得到事故工况下内筒节的筒节应力云图如图8所示，内筒节门框门板应力云图如图9所示。

图7 人员闸门内筒节第一主应力云图Fig.7 The major principal stress of the internal sleeve

图8 人员闸门内筒节筒节应力云图Fig.8 The stress nephogram of the internal sleeve

图9 人员闸门内筒节门板门框应力云图Fig.9 The stress nephogram of the door plank and door frame of the internal sleeve

ANSYS 软件中所给出的应力值是包含了一次应力、二次应力和峰值应力等[10，11]应力的总应力值，在对其进行校核前需要进行线性化处理，分别得到其一次薄膜、弯曲和二次应力等。在人员闸门内筒节局部抗震分析中，其最大应力产生于门架与筒节连接处，线性化之后可以得到最大薄膜加弯曲应力为99.3 MPa。此处保守地采用一次薄膜应力许用值校核薄膜加弯曲应力。由RCC-M ANNEX Z I 1.4 可知[12]，人员闸门承压边界的材料P265GH在事故工况温度下的许用应力为103 MPa，即在事故工况下人员闸门内筒节最大薄膜加弯曲应力小于其一次薄膜应力的许用值。因此，该工况下人员闸门内筒节的强度满足RCC-M规范的要求。

3.2 外筒节局部抗震分析

事故工况下，人员闸门内门打开外门关闭时，外筒节同时承受自重载荷、SSE地震载荷和内压载荷作用；内门关闭外门打开和内门外门同时关闭时，外筒节只承受自重载荷、SSE地震载荷作用。由于前者载荷工况包络后者，因此，在外筒节局部抗震分析时，仅考虑前者所有载荷叠加的情况。同时，还需要考虑人员和小型设备通过时的集中载荷，本文计算过程中，考虑最危急的极端情况，将该载荷全部施加到外筒节上最外侧一组通道支撑上。

人员闸门外筒节整体结构事故工况下第一主应力云图如图10 所示。由图可知，应力较大处主要位于筒节和门框连接处、筒节和门架连接处以及通道支撑与筒节连接处。将外筒节的筒节、门框门板和通道支撑处筒体单独提取出来可以得到事故工况下外筒节筒节应力云图，如图11所示，外筒节门框门板应力云图如图12所示，通道支撑处筒体局部应力云图如图13所示。

图10 人员闸门外筒节第一主应力云图Fig.10 The major principal stress of the external sleeve

图11 人员闸门外筒节筒节应力云图Fig.11 The stress nephogram of the external sleeve

对人员闸门外筒节局部抗震计算结果分析可知，其最大应力产生于门架与筒节连接处，线性化之后可以得到最大薄膜加弯曲应力为96.17 MPa，小于其一次薄膜应力的许用值103 MPa。因此，该工况下人员闸门外筒节的强度满足RCC-M规范的要求。

图12 人员闸门外筒节门板门框应力云图Fig.12 The stress nephogram of the door plank and door frame of the external sleeve

图13 人员闸门通道支撑局部应力云图Fig.13 The stress nephogram of the passage of the Personnel Airlock

4 结论

本文采用有限元法对核电站人员闸门建立了完整的有限元模型，并分别对内筒节和外筒节建立了局部实体模型，分析了人员闸门在事故工况下的抗震性能。得到结论如下：

（1）人员闸门整体承压部件第一阶频率为49 Hz，大于截断频率，可以采用等效静力法进行抗震计算

（2）事故工况下，人员闸门内筒节应力较大处主要位于筒节和门框连接处以及筒节和门架连接处，最大应力小于其许用应力值，即内筒节满足强度要求；

（3）事故工况下，人员闸门外筒节局部应力较大处主要位于筒节和门框连接处、筒节和门架连接处以及通道支撑与筒节连接处，最大应力小于其许用应力值，即外筒节满足强度要求。