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大型压水堆核电站换料机的有限元分析

发布于:2019-08-19 20:28
有限元分析

      换料机是压水堆核电站装卸核燃料的关键设备之一,其基本任务是在安全壳内将新燃料组件装入堆芯的指定位置,将乏燃料组件卸出堆芯运送到装运系统的预定位置、补充新的燃料构件进行燃料循环、排空堆芯中的燃料组件并进行再装料。针对换料机在服役期间的工作状况,需要对其在正常运行和地震工况下进行动力分析计算,并依此进行强度有限元分析。   
      对换料机安全评定中,主要考虑主要结构的强度评定、螺栓和焊缝的强度评定、辅吊支腿的屈曲安全评定;此外,作为换料机的主要组件,伸缩套筒端部的指形钩具有抓运燃料组件的重要作用,其可靠性对保障换料机的安全运行具有重要的作用。因此,还需对指形钩进行详细的局部强度分析。在目前我国核电结构评定主要参照ASME规范和RCC-M规范,本文依据RCC-M规范进行换料机结构计算和评定,辅吊部分则参考国家标准《GB/ T3811-2008起重机设计规范》。
      地震工况主要包括2种,即异常工况LOBE)和事故工况(CSSE。频谱分析法在设备抗地震分析中被广泛采用,可确定结构上各危险点在整个地震历程中最大的应力和内力,对于3个不同方向输入的地震响应谱,采用SRSS C平方和开平方根方法进行组合,并在此基础上考虑自重的最不利影响进行工况组合。此外,针对伸缩套筒在水中运行的情况,需要考虑其在启动、制动工况下的水阻力。在地震工况下,水对套筒的作用可采用附加质量的方法进行考虑。伸缩套筒的水阻力可采用Morison方程进行计算,其在地震工况下的附加质量则可采用Morison方程和Wester-gaard理论进行计算。本文均采用Morison方程对伸缩套筒的水阻力和附加质量进行计算。
      本文针对中科华核电技术研究院自行设计的1000 MW大型压水堆核电就换料机的结构特点,采用ANSYS有限元分析App进行建模,在正常运行、异常工况(OBE、事故工况CSSE )3种工况下进行了动力分析计算,并依据RCC-M规范进行支撑结构的安全评定。
      换料机主要由移动式桥架大车、运行小车、辅助塔吊和塔座式带抓具的伸缩套筒组成,如图所示。换料机安装在反应堆RX厂房内,在反应堆换料水池上方进行水下的燃料组件操作,其有3种运动:大车纵向运动、小车横向运动和主提升机构升降运动。对燃料组件的装入、卸出和倒换操作需在12 m以下的水下进行。采用ANSYS对换料机进行了有限元建模,如图所示。设定X方向为大车运行方向,Y方向为小车运行方向,Z方向为竖直方向。原点设在水平面,大车桥架中心处。计算模型主要采用梁单元,结构的总质量为25221 kg,燃料组件650 kg。对换料机在正常工况下进行结构响应计算可将其转化为静力分析,将启动或制动加速度引起的惯性力、重力和浮力施加到结构上。对结构的地震响应计算采用频谱分析法,地震荷载施加在基础点,即大车车轮处。
      对换料机进行动力分析和强度评定主要考虑其在正常运行和地震条件下的安全性。对于正常运行工况分别考虑其在制动和启动条件下的强度条件。由于换料机的伸缩套筒及燃料组件均是在水下运行,因此在本项目中将考虑换料机在运行中水的阻力,以及地震条件下水的附加质量。在正常工况下,大车的启动加速度as=1.70 m/s2,制动加速度ab = 1.96 m/ s2,同时正常运行速度v= 15.0 m/s,主提升向最大刹车加速度a=481 m/s2。当小车处于大车的端部、1/4处和中部时,对换料机的强度分别进行了计算分析。本文以最危险情况,即小车处于大车中部时的情况为例进行强度评定。针对换料机在正常运行中的大车启动和制动工况,以及OBE,SSE 2种不同地震工况条件。



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