核燃料厂房风管结构抗震思考
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【内容摘要】风管是核燃料厂房通风系统的重要组成部分，需要保证在地震作用下风管结构的完整性和功能性。本文采用大型通用有限元软件ANSYS对风管特征管段进行抗震力学分析，主要介绍了在地震和气压等载荷作用下风管应力评定、风管面板变形评定和屈曲分析方法，发现事故工况下风管最大应力和变形位置出现在风管三通、弯头及变径管段，表明这些管段是风管机械结构的薄弱位置。
【关键词】风管结构;抗震分析;屈曲分析;应力评定
核电站中核燃料厂房主要是用于处理从反应堆厂房取出的废燃料棒并向反应堆提供新燃料棒，因此在废燃料池大厅内空气中出满了大量的放射性气体，故燃料厂房的通风系统就显得格外重要。采用大型通用有限元程序ANSYS对风管结构典型管段进行力学分析，该程序已应用于福清5/6号机组(华龙一号)第三代核电站设备、支架和风管的力学分析中，在我国核化工、乏燃料后处理等工程中也得到了广泛应用。
一、风管结构和材料特性
风管结构主要由风管面板、风管法兰和风管支撑件组成。风管横截面为圆形，风管面板与风管法兰采用焊接连接，风管法兰与支架垫片采用螺栓连接，支架角钢一端与支架垫片焊接，另一端与预埋板焊接。本报告选取的风管特征管段包括直管段、三通、弯头安装管段等。风管管径包含有Φ600mm、Φ450mm、Φ400mm，支架角钢型号为L100×10、L80×10。风管和支架所用材料是Q235B。
二、风管结构有限元模型
风管、法兰和垫片采用壳单元SHELL181建模，支架角钢用梁单元Beam188建模，分析时在角钢和预埋板连接处施加UX=UY=UZ=ＲX=ＲY=ＲZ=0的约束条件，支架垫片与风管法兰之间的螺栓连接通过耦合三个平动自由度来实现。
三、风管结构承受的载荷及计算方法
风管计算时须考虑风管结构自重、风管设计压力和地震载荷，其中重力加速度为9.81m/s2，设计压力为－3140Pa，地震载荷根据安装位置，选取某工程厂房－0.05m标高、阻尼比为4%的SL－2楼层反应谱。计算方法:首先进行模态分析，地震作用的计算采用BLOCKLANCZOS法提取结构模态，用响应谱法计算结构地震响应，用GＲP法对各阶模态组合，并对三个方向进行静力修正，用SＲSS法组合三个方向地震作用。采用特征值分析法计算风管临界屈曲载荷。
四、风管结构应满足的规范
(一)风管应力应满足的规范。风管抗震类别为1I类，根据规范NB/T20039.3－2012［1］《核空气和气体处理规范通风、空调与空气净化第3部分:风道》中6.2.2节要求，对风管适用的载荷工况及相应的应力限值见表1，其中σm为总体薄膜应力、σb为弯曲应力、Sy为材料屈服强度。
(二)风管变形应满足的规范。根据规范NB/T20038－2011［2］《核空气和气体处理规范设计和制造通用要求》中4.2.3节要求，风管变形应满足表2的变形限值，其中根据NB/T20039.3－2012中6.2.3节要求，取风管的最大变形许用值dmax=19mm。
(三)风管屈曲应满足的规范。风管面板承受负压载荷，有受压屈曲失稳的可能，因此需要计算风管结构承受负压作用下的临界屈曲载荷。根据NB/T20038－2011［2］《核空气和气体处理规范设计和制造通用要求》中4.3.3.2节要求，事故工况负压载荷不能超过主框架结构的临界屈曲载荷的0.67倍，即要求临界屈曲载荷大于工况载荷的1.5倍。
五、计算结果及评定
风管结构在事故工况下的薄膜应力分布详见图2，薄膜加弯曲应力分布详见图3，风管变形结果详见图4，由图2～图4可见，风管最大应力和变形的位置均出现在风管三通、弯头及变径管段。
(一)风管应力评定。风管应力评定结果见表3，正常工况下风管最大应力比为0.05，事故工况下风管最大应力比为0.18，均小于1，因此各个工况下的风管应力均满足规范要求。
(二)风管变形评定。由表4可知:风管结构在正常工况下最大变形量为0.23mm，事故工况下最大变形量为2.44mm，均小于风管的变形限值，因此各个工况下的风管变形均满足规范要求。
(三)风管屈曲分析。对风管结构施加外压进行屈曲分析，外压载荷采用设计压力－3140Pa施加。风管受压屈曲第一阶模态及临界屈曲载荷见图5，可知临界屈曲载荷为设计压力的33.747倍，因此风管结构承受的气压载荷满足规范NB/T－20038－2011规定的屈曲载荷的要求。
六、结语
风管在所承受载荷(自重、设计压力、地震等载荷)作用下风管应力满足NB/T20039.3－2012［1］《核空气和气体处理规范通风、空调与空气净化第三部分:风道》规范的要求;风管变形和设计压力满足NB/T20038－2011［2］《核空气和气体处理规范设计和制造通用要求》规范要求。风管各个工况下的机械特性的完好性得到了证明。计算结果表明:事故工况下风管最大的应力和变形位置多出现在风管三通、弯头及变径管段，这些管段是通风系统风管机械结构的薄弱位置，因此本报告对通风系统风管布置、结构加固等设计工作具有一定的指导意义。
【参考文献】
［1］核工业标准化研究所．核空气和气体处理规范通风、空调与空气净化第3部分:风道(NB/T20039．3－2012)［S］．
［2］核工业标准化研究所．核空气和气体处理规范设计和制造通用要求(NB/T20038－2011)［S］．
作者:石玉龙 单位:中国核电工程有限公司河北分公司