杨晓

（中核第四研究设计工程有限公司，石家庄050021）

0 引 言

核电动机组中燃料转运装置承担着传输核燃料组件的重要作用，燃料转运装置的关键组件是驱动机构，该机构共两套，分别布置于反应堆厂房和燃料厂房，两套驱动机构采用接力驱动的方式驱动燃料转运装置。针对燃料转运装置的抗震要求，需要对驱动机构在异常工况（OBE）、事故工况（SSE）下进行强度分析[1]。

针对核电设备的抗震性能计算以基于响应谱分析法的线性分析为主。针对3个维度的地震振动分量，采用平方和开平方根方法（SRSS）进行组合，考虑静载下的最不利工况[2]。在抗震分析中依据RCC-M标准对整体结构进行强度评定，并考虑在装置运行过程中驱动机构的联接螺栓和地脚锚栓的强度要求[3]。

1 工程概况

燃料转运装置驱动机构的安全等级为LS，抗震等级为1I，质保等级为QA2。该设备主要由支架、编码器、减速伺服电动机、输出轴组件及重型锚栓等构件组成，结构如图1所示。

图1 燃料转运装置驱动机构整体结构示意图

支座左侧与连接板之间通过2个M16×25螺栓（编号L1、L2）联接，支座右侧与组件通过2个M16×50螺栓（编号L3、L4）联接，整个机构通过4个M12×25（编号M1、M2、M3、M4）、2个M16×25（编号M5、M6）的重型锚栓安装在混凝土基座上。

2 计算模型及参数选取

2.1 有限元模型的建立

燃料转运装置驱动机构三维模型如图2所示，表1列出了主要部件的材料特性。有限元模型尺寸采用实际尺寸，主体的支架、支座、连接板材料为022Cr19Ni10，采用壳单元建模，并采用4 节点壳单元S4R 划分网格。轴套等部件材料为022Cr19Ni10，形状比较规则，采用缩减积分单元C3D8R。部件间的联接螺栓和地脚锚栓均采用2节点线性梁单元B31划分网格。最终形成的网格数量为59 400，节点数为62 020。所划分网格如图3所示。

图2 燃料转运装置驱动机构三维模型

表1 材料特性表

图3 燃料转运装置驱动机构有限元模型

有限元模型中的X、Y、Z 方 向 分 别 对 应于反应谱中水平方向、竖直方向、反应堆厂房指向燃料厂房方向。

2.2 载荷条件

燃料转运装置驱动机构安装在燃料厂房的标高+20.000 m处，地震反应谱选取燃料厂房标高+20.000 m处楼层反应谱。根据GB50267-97《核电厂抗震设计规范》3.3节，异常工况（OBE）时设备的阻尼比取2%，事故工况（SSE）时设备的阻尼比取4%。

2.3 燃料转运装置驱动机构的模态分析

根据有限元模型及参数，约束6个地脚锚栓底面处的3个平动自由度（即UX=UY=UZ=0），分析截至频率33 Hz的结构整体模态，得到驱动机构的固有频率和相应各阶的振型。共计算了450阶，各方向参与质量及质量百分比如表2所示，各方向参与质量均大于94%。

表2 各方向参与质量及质量百分比

通过分析，得出结构主要振型为第1、2、3阶，前3个振型累计参与质量占总质量的72%，表3列出了驱动机构的前3阶周期和频率，相关振型如图4～图6所示。

表3 转运装置驱动机构动力特性

图4 第1阶模态

图5 第2阶模态

图6 第3阶模态

3 驱动机构整体的抗震评定

首先选择应力评定准则，对各载荷工况下的等效应力进行安全评定。根据《核电厂抗震设计规范》（GB50267-97）及驱动机构的固有频率分布，振型组合采用完全二次型组合（CQC），地震振动3个分量引起的反应值按平方和的平方根组合（SRSS）[4]。

3.1 强度评定准则

依据《压水堆核电厂乏燃料贮存设施设计准则》（EJ/T883-2006），驱动机构的整体强度评定依照表4所示。

表4 驱动结构载荷工况及应力限值表

3.2 各工况下驱动机构的应力分布

依据RCC-M中C3281节，在弹性分析中采用Tresca应力准则。图7为正常运行+OBE工况下支架的应力云图。最大应力出现在支架前侧左上横梁的拐角处，计算最大应力为94.73 MPa。图8为正常运行+SSE工况下支架的应力云图。最大应力出现在支架前侧左上横梁的拐角处，计算最大应力为109.44 MPa。

图7 正常运行+OBE工况下驱动机构应力分布

图8 正常运行+SSE工况下驱动机构应力云图

经分析可知，在地震载荷作用下，驱动机构的应力分布满足应力限值的要求。

4 驱动机构联接螺栓和重型锚栓的抗震评定

4.1 螺栓的强度评定原则

对于螺栓，参照RCC-M 规范ZVI 2461进行评定。

1）承受纯拉伸的螺栓紧固件的平均拉伸应力应限制在Ftb以内：ft＜Ftb。

2）承受纯剪切的螺栓紧固件的平均剪切应力应限制在Fvb以内：fv＜Fvb。

3）承受拉伸和剪切力的螺栓紧固件中，应力应满足下列方程式：

式中：ft为计算拉伸应力；fv为计算剪切应力；Ftb为工作温度下的许用拉伸应力，Ftb=0.3Su=210 MPa（A2-70），Ftb=0.5Su=400 MPa（8.8级）；Fvb为工作温度下的许用剪切应力，Fvb=Su/8=87.5 MPa（A2-70），Fvb=5Su/24=166.7 MPa（8.8级）。

4.2 地震载荷下驱动机构防止倾覆的校核

如图1所示，驱动机构是通过6根地脚锚栓固定在基础上，在地震载荷作用下，驱动机构存在地脚锚栓拔离而倾覆的风险。选取最危险的工况（静力+SSE）进行校核。在静力和地震载荷作用下，锚栓受X方向的摩擦力FX、轴向力FY及Z方向的摩擦力FZ。各方向受力值如表5、表6所示。校核结果如表7所示，每个位置的地脚锚栓均满足要求，不会因地震而引起驱动机构的倾覆。

表5 地震载荷SSE工况下M12×25地脚锚栓的支反力 N

表6 地震载荷SSE工况下M16×25地脚锚栓的支反力 N

表7 驱动机构防止倾覆的校核结果

4.3 联结螺栓的强度评定

如图1所示，驱动机构各部件之间通过4个M16螺栓紧固联接，校核最危险工况（静力+SSE）作用下螺栓的最大轴向力FY，部件间接触面最大摩擦力FX、FZ。各方向受力值如表8、表9所示，校核结果如表10所示，驱动机构的联接螺栓均满足强度要求，不会因地震而导致驱动机构的破坏。

表8 地震载荷SSE工况下M16×25螺栓的受力 N

表9 地震载荷SSE工况下M16×50螺栓的受力 N

表10 联接螺栓的校核结果

5 结 论

采用有限元计算手段对燃料转运装置的驱动机构进行抗震分析,在驱动机构模态分析的基础上，进行地震载荷下的反应谱分析。

根据计算结果，可见驱动机构满足RCC-M的强度评定条件，能够在地震期间及之后保证结构的完整性并连续运行。联接螺栓以及地脚锚栓的应力满足RCC-M-附录Z VI的要求，在地震期间不会发生断裂、拔离等事故，保证设备运行安全。