柴油发电机组抗震分析

142柴油发电机组抗震分析邓晶晶（上海核工程研究设计院，上海200233）摘要：根据相关核安全法规的要求，核电厂中所有的抗震I类设备均应进行抗震鉴定，以保证能承受安全停堆地震和运行基准地震载荷，并保证在地震发生时和地震后均能履行其安全功能。本文采用分析方法对抗震I类设备柴油发电机组进行抗震鉴定，对包括柴油机、发电机、齿轮箱和公共底架在内的柴油发电机组建立有限元模型进行抗震分析，并根据相关规范和标准对柴油发电机组各部件进行应力评定和强度校核，对柴油发电机组在地震载荷下的结构完整性作出评定。关键词：柴油发电机组，抗震鉴定，有限元SeismicAnalysisofDiesel-generatorAssemblyDENGJingjing（ShanghaiNuclearEngineeringResearch&DesignInstitute,Shanghai200233）Abstract:Accordingtotherequirementsofnuclearsafetycodes,aseismicqualificationshouldbeperformedtoanyequipmentclassifiedasseismiccategoryIinnuclearpowerplants,toensurethattheequipmentcanwithstandtheeffectsofsafeshutdownearthquakeoroperatingbasisearthquakeandcanperformitssafetyfunctionduringandafterthetimeitissubjectedtotheearthquake.Theseismicqualificationtoadiesel-generatorassemblyhavebeenperformedintheanalysismethodandafiniteelementmodelofthediesel-generatorassemblyincludingthedieselengine,generator,gearincreaserandcommonunderframewasbuilt.Theintensityofeverycomponenthasbeencheckedperthecorrespondingstandardsandcodesandthestructureintegrityofthediesel-generatorassemblyunderseismicloadswasevaluatedKeywords:Diesel-generatorAssembly,Seismicanalysis,Finiteelement1前言核电厂的抗震具有特殊的重要性。由于核电厂中许多设备和部件中聚集着大量的放射性物质，一旦遭到地震破坏可能使放射性物质外逸，从而对公众的生命和健康造成危害。如果反应堆系统遭受破坏，可能造成核事故，影响的范围更大。因此在核电厂的设计和建造中必须重视抗震鉴定工作。世界上主要核国家先后建立了一整套有关抗震鉴定的法规、导则和规范，从而为核电厂的抗震安全性提供了保证。本文简要介绍了核级机械部件和设备的抗震鉴定要求和方法，并针对压水堆核电厂辅助给水系统中的柴油发电机组采用分析方法进行抗震鉴定，对包括柴油机、发电机、齿轮箱和公共底架在内的复杂结构建立有限元模型和进行抗震计算，并根据相关规范和标准对柴油发电机组各部件进行应力评定和强度校核，对柴油发电机组在地震载荷下的结构完整性作出评定。2核设备抗震鉴定由于核安全要求的特殊性，核级机械部件与设备和常规机械产品相比在设计、制造、安装等方面都要严格许多。核级设备，特别是首次用于核电厂的设备必须通过设备鉴定方可使用。抗震鉴定是设备鉴定的一部分，其目的是在于验证机械设备、管道系统、反应堆内部构件及其支承件等在包括流体流动和假想地震事件引起的振动荷载在内的各种振动荷载下的邓晶晶，上海核工程研究设计院，Email：[e-mail]143结构完整性、可运行性和执行规定的安全功能的能力能够满足预定的要求，以保证核电厂总的安全要求的实现。核级机械部件与设备根据其在核动力装置有关系统中所负担的核安全功能，确定其相应的核安全级别。所有的核安全级部件与设备（核安全1、2、3级）均为抗震I类，即要求部件与设备能够抵御“安全停堆地震（SSE）”地震载荷而保持其结构完整性、可运行性和执行规定的安全功能的能力。安全停堆地震是考虑到核电厂所在地区和厂区的地质和地震情况以及当地地层材料的具体特性，对可能的昀大地震作出评估后所确定的一个地震。在该地震产生的昀大地面振动下一些构筑物、系统和部件要设计成能保持其功能。核级机械部件与设备抗震鉴定所采用的方法主要有四类：（1）分析方法，通过分析来预计设备性能；（2）试验方法，在模拟地震条件下对设备进行试验；（3）分析和试验相结合的方法；（4）利用经验数据鉴定设备。鉴定过程中可根据设备结构的类型、尺寸、形状和复杂程度，安全功能是否能通过可运行性或仅仅通过结构完整性来评价以及结论的可靠性来确定适用的鉴定方法。抗震鉴定的一般步骤见图1。图1抗震鉴定的一般步骤3柴油发电机组作为压水堆核电厂辅助给水系统的主要设备之一，辅助给水泵机组采用2台柴油发电机组驱动。在核电厂全厂断电包括丧失应急电源的工况下，通过设置在柴油发电机组上的交流发电机向泵房和柴油机的通风和冷却设备供电，并向辅助给水系统的电动阀供电，以保证辅助给水泵机组的运行可靠性和独立性。柴油发电机组属于安全3级设备，抗震类别为I类。该发电柴油机组采用TBD604BL6型柴油机，为四冲程、直列、六缸、涡轮增压及中间冷却结构。公共底架为钢结构，由型钢与钢板的焊接而成。柴油机、齿轮箱、发电机及其附件144安装在公共底架上，柴油机和齿轮箱、发电机之间均采用高弹性联轴器连接，柴油机与公共底架之间布置了四个弹簧隔振器。柴油发电机组公共底架、柴油机、发电机和齿轮箱的外形尺寸及其重量见表1。柴油机部分部件的重量见表2。表1柴油发电机组各部件及其外形尺寸和重量部件外形尺寸(mm)重量(kg)公共底架4004×1040×5601700柴油机2354×1297×2007～2550发电机1519×792×10581670齿轮箱905×710×825～630表2柴油机部分部件及其重量部件重量(kg)部件重量(kg)机体～480通气管～1.5曲轴～250进气总管～15活塞～38排气弯管～90飞轮～125滑油冷却器～66汽缸盖～390空气冷却器～5油底壳～25涡轮增压器～553有限元模型柴油发电机组抗震分析采用ANSYS程序建立有限元模型。公共底架由型钢与钢板焊接而成，采用三维板壳单元（Shell63）模拟。柴油机机体、汽缸盖、油底壳、主轴承盖、活塞、滑油冷却器、滑油滤清器、离心滤清器、燃油滤清器、空气冷却器、涡轮增压器等柴油机部件的结构异常复杂，因此简化地采用板壳单元对其外形尺寸进行模拟，调整板壳单元厚度参数使各部件的重量与实际相符。发电机和齿轮箱也采用相同的方法模拟。对于柴油机曲轴、进气总管、排气管、通气管等线性部件，采用高阶三维梁单元（Beam188）进行模拟。柴油机、发电机、齿轮箱与公共底架之间的连接螺栓，柴油机各部件之间的连接螺栓和公共底架的地脚螺栓都采用三维梁单元（Beam4）或耦合节点的方法进行模拟。柴油机与公共底架之间的隔振器，采用弹簧阻尼单元（Combin14）进行模拟。此外，柴油机飞轮采用结构质量单元（Mass21）对其重量进行模拟。柴油发电机组有限元模型共有单元23931个，节点24140个。有限元模型的单元网格图见图2至图5。图2柴油发电机组有限元单元网格图图3柴油机有限元单元网格图145图4齿轮箱有限元单元网格图图5发电机有限元单元网格图4抗震分析柴油发电机组抗震分析包括了自重载荷作用下的静力分析、结构的模态分析和地震载荷作用下的谱分析。模态分析采用子空间迭代（SUBSP）法，提取10阶模态。谱分析采用单点反应谱分析（SPRS）方法。4.1模态分析表3给出了柴油发电机组计算模型的前10阶固有频率。前2阶模态振型见图6和图7。表3柴油发电机组计算模型固有频率模态阶数频率（Hz）模态振型简述122.527柴油机在机组垂向上的振动235.885柴油机在机组横向上的振动337.567通气管在机组轴向上的振动451.054发电机在机组垂向上的扭转554.587发电机在机组轴向上的扭转677.275柴油机在机组轴向上的振动783.132发电机在机组横向上的扭转8105.23燃油滤清器在机组轴向上的振动9105.71燃油滤清器在机组垂向上的振动10121.27空气冷却器的振动图6柴油发电机组第1阶模态振型图7柴油发电机组第2阶模态振型1464.2应力评定表4给出了在安全停堆地震载荷作用下，公共底架、齿轮箱、发电机和柴油机各部件上产生的昀大薄膜应力和薄膜加弯曲应力。柴油机曲轴上产生的昀大薄膜应力为0.27MPa，昀大剪切应力为2.94MPa，连杆上产生的昀大弯曲应力为6.39MPa。图8至图11分别给出了安全停堆地震载荷作用下公共底架、柴油机、齿轮箱和发电机的薄膜加弯曲应力分布云图。表4柴油发电机组各部件应力计算结果部件昀大薄膜应力（MPa）昀大薄膜加弯曲应力（MPa）公共底架5.145.62齿轮箱3.953.98发电机22.7823.03柴油机机体3.193.25活塞24.7824.78汽缸盖0.830.88油底壳1.651.77滑油滤清器1.431.43离心滤清器0.560.57燃油滤清器0.070.07滑油冷却器1.001.03空气冷却器0.600.77涡轮增压器1.021.03图8公共底架的薄膜加弯曲应力分布云图图9柴油机的薄膜加弯曲应力分布云图图10齿轮箱的薄膜加弯曲应力分布云图图11发电机的薄膜加弯曲应力分布云图1475结论相对常规机械产品，核机械部件与设备的抗震鉴定有其特殊的要求。对包括柴油机、发电机、齿轮箱和公共底架在内的柴油发电机组，受其自身结构和外形尺寸的限制无法采用试验方法对整机进行抗震鉴定，因此采用分析方法建立有限元模型进行抗震分析。根据相关法规规范对公共底架、齿轮箱、发电机和柴油机机体、汽缸盖、油底壳、滑油滤清器、滑油离心滤清器、燃油滤清器、滑油冷却器、进气总管、排气弯管、曲轴和连杆等部件进行强度校核，对公共底架、柴油发电机组各部件之间的连接螺栓进行应力评定。评定结果表明柴油发电机组各部件具有良好的刚度和强度，在地震载荷作用下可以保证结构的完整性。参考文献[1]郁祖盛.级机械部件与设备的核安全基本要求.国家环境保护总局核安全中心内部培训教材.2004.柴油发电机组抗震分析作者：邓晶晶作者单位：上海核工程研究设计院,上海200233本文读者也读过(10条)1.杨能仁.钦军伟.刘攀核电厂稳压器抗震分析方法研究[会议论文]-20102.陆恒反应堆柴油发电机组抗震计算[会议论文]-20053.汪嘉春.才来中核电厂人工地震波模拟技术[会议论文]-20004.彭翠玲.张周红.艾华宁.张臣刚核电站用储油罐应力分析与评定[期刊论文]-石油和化工设备2011,14(1)5.李忠诚.赵凤新.LIZhong-cheng.ZHAOFeng-xin不同法规关于核电厂设计地震动合成的技术要求比较[期刊论文]-核动力工程2006,27(2)6.姚伟达.张明.谢永诚.沈小要.钱浩先进轻水反应堆(ALWR)核电厂取消OBE的原因和措施[会议论文]-20087.王开松多工况下ITER中心螺管馈线系统的优化设计与动力分析[学位论文]20088.庄衍平.蔡行荣.ZHUANGYan-ping.CAIXing-rong一种核安全级柴油发电机组[期刊论文]-移动电源与车辆2006(4)9.牛春雷.潘蓉.NIUChunlei.PANRong泰山核电二期工程联合泵房的整体分析[期刊论文]-核安全2005(1)10.蔡行荣.庄衍平.CAIXing-rong.ZHUANGYan-ping