某工程熱室密封門抗震計算分析

李 陽，張 弛

(中國核電工程有限公司 河北分公司，河北 石家莊 050019)

0 引言

核設施中常常需要處理具有放射性或者沾染放射性物質的材料或設備，這項工作必須在具有屏蔽和密封功能的箱室內進行操作。熱室是典型的箱室設備，外部設有屏蔽層，內部處理或貯存的物料具有強γ放射性活度或中子輻射[1-3]。

熱室密封門作為進出熱室的主要通道，是保證熱室密封性能的重要組成部分，其密封性能的好壞直接影響整個熱室的包容性。對于某些重要的熱室，要求其在地震工況下也能滿足密封性要求，所以需要熱室密封門在地震工況下保持完整性和功能性完好，因此需要對熱室密封門進行抗震計算分析。

1 熱室密封門的組成

熱室密封門主要由門框、門板、鎖緊機構和鉸鏈機構等組成，熱室密封門的結構見圖1。門框由厚鋼板拼焊而成，外側周圈與殼體焊接，內側與門板上的密封條接觸形成密封面。鎖緊機構由把手、扇形板、連接板、壓板和卡板組成，如圖2所示?？ò搴附釉陂T框內側，其余部件焊接于門板上，鎖緊機構四周各對稱分布12個鎖緊壓板，旋轉把手帶動壓板轉動，實現門的密封鎖緊。

圖1 熱室密封門結構示意圖

圖2 鎖緊機構結構示意圖

2 計算參數與工況

2.1 材料參數

熱室密封門主體材料選用06Cr19Ni10，鎖緊機構壓板材料選用14Cr17Ni2，按照室溫20 ℃得到材料的主要力學性能參數，見表1[4]。表1中，許用應力S=min{Su/4，2Sy/3}。

表1 材料的力學性能參數 MPa

2.2 載荷條件

進行力學計算分析所考慮的載荷包括：

(1) 自重：計算設備自重為275 kg，重力加速度為9.81 m/s2。

(2) 壓力：計算采用的壓力為設計壓力-250 Pa。

(3) 地震載荷：地震載荷考慮地震水平-1地震(OBE:Operation-Based Earthquake)和地震水平-2地震(SSE:Safety Shutolown Earthquake)，結構阻尼比取2%，設備的安裝高度為+1 m，所受地震載荷根據所處的安裝要求確定。

2.3 工況

(1) 設計工況：設計工況下的載荷為熱室密封門自重、壓力。

(2) 異常工況：異常工況下的載荷為熱室密封門自重、壓力和OBE。

(3) 事故工況：事故工況下的載荷為熱室密封門自重、壓力和SSE。

3 評定方法

3.1 承壓部件應力評定

根據GB/T 16702規范的C3300對熱室密封門承壓部件結構應力進行評定，表2列出了準則和相應的應力限值。表2中，σm為總體薄膜應力；σl為局部薄膜應力；σb為一次彎曲應力。

表2 承壓部件的應力限值

3.2 板殼型支承件的應力評定

熱室密封門壓板為密封門主要支撐承載體，板殼型支撐在設計和運行載荷下評定限制取自GB/T 16702規范H3300 S2級板殼型支承件設計準則，其應力限制要求如表3所示。

表3 板殼型支承件的應力限值

4 有限元模型及計算方法

4.1 計算方法

采用有限元方法計算結構在各種載荷下的應力。地震作用的計算采用BLOCK LANCZOS法提取結構模態，用響應譜法計算結構地震響應，用SRSS法對各階模態組合，用SRSS法組合三向地震作用。

4.2 計算模型

熱室密封門門框與熱室殼體和鋼筋焊接預埋于土建結構中，成為殼體和土建結構的一部分，本文不再對門框和通道鋼板的抗震進行重復計算，僅對門板進行抗震計算，計算后提取壓板處反力，并對壓板進行校核。門板結構模型用來計算結構在地震、自重、負壓工況下的應力。壓板處施加UZ=0的約束條件，門板鉸鏈座銷孔處施加UX=UY=UZ=0的約束條件(UZ為垂直于門方向位移約束，UX為門水平方向位移約束，UY為門豎直方向位移約束)。鎖緊機構等非結構構件根據實際位置和質量采用Mass21單元模擬。壓板厚5 mm，采用板殼元(Shell181)對模型進行網格劃分。

在有限元模型中，熱室密封門門板豎向為坐標Y向，門板法向為坐標Z向。利用ANSYS軟件構建的門板和鎖緊壓板有限元模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 熱室密封門門板有限元模型

圖4 鎖緊壓板有限元模型

4.3 模態分析結果

對整體結構的板殼元模型進行模態分析，計算了30階頻率，前10階模態的頻率列于表4中，設備的第1階固有頻率高于33 Hz，可以采用等效靜力法進行計算[5]。采用等效靜力法對事故工況進行計算時，取1.5倍的反應譜峰值加速度。

表4 熱室密封門門板的前10階固有頻率

4.4 應力計算結果

4.4.1 門板計算結果

對設計工況(正常工況)、異常工況和事故工況下的門板進行計算，得到的3種工況下門板的薄膜應力分布如圖5～圖7所示，門板薄膜加彎曲應力分布如圖8～圖10所示。

圖5 正常工況下門板薄膜應力云圖 圖6 異常工況下門板薄膜應力云圖 圖7 事故工況下門板薄膜應力云圖

圖8 正常工況下門板 圖9 異常工況下門板 圖10 事故工況下門板薄膜加彎曲應力云圖薄膜加彎曲應力云圖薄膜加彎曲應力云圖

3種工況下門板的應力結果為：

(1) 設計工況(正常工況)下，門板的最大薄膜應力：σm=3.74 MPa，門板的最大薄膜加彎曲應力：σm(σl)+σb=4.88 MPa。

(2) 異常工況下，門板的最大薄膜應力：σm=10.9 MPa，門板的最大薄膜加彎曲應力：σm(σl)+σb=12.7 MPa。

(3) 事故工況下，門板的最大薄膜應力：σm=19.1 MPa，門板的最大薄膜加彎曲應力：σm(σl)+σb=20.6 MPa。

4.4.2 鎖緊壓板計算結果

對設計工況(正常工況)、異常工況和事故工況下的鎖緊壓板進行計算，得到的3種工況下的鎖緊壓板薄膜應力分布如圖11～圖13所示，鎖緊壓板薄膜加彎曲應力分布如圖14～圖16所示。

圖11 正常工況下鎖緊壓板 圖12 異常工況下鎖緊壓板 圖13 事故工況下鎖緊壓板薄膜應力云圖薄膜應力云圖薄膜應力云圖

圖14 正常工況下鎖緊壓板 圖15 異常工況下鎖緊壓板 圖16 事故工況下鎖緊壓板薄膜加彎曲應力云圖薄膜加彎曲應力云圖薄膜加彎曲應力云圖

3種工況下鎖緊壓板的應力結果為：

(1) 設計工況(正常工況)下，鎖緊壓板的最大薄膜應力：σm=2.69 MPa，鎖緊壓板的最大薄膜加彎曲應力：σm+σb=9.41 MPa。

(2) 異常工況下，鎖緊壓板的最大薄膜應力：σm=12.3 MPa，鎖緊壓板的的最大薄膜加彎曲應力：σm+σb=43.2 MPa。

(3) 事故工況下，鎖緊壓板的最大薄膜應力：σm=22.4 MPa，鎖緊壓板的最大薄膜加彎曲應力：σm+σb=78.4 MPa。

5 應力評定

根據上文計算結果，進行應力評定，結果見表5。

表5 熱室密封門應力評定

表5中壓力評定結果表明，最大應力比為0.16，各組件應力均滿足規范要求。

6 結語

本文對熱室密封門進行了抗震計算和分析，通過計算門板和鎖緊壓板在設計工況(正常工況)、異常工況和事故工況下的最大薄膜應力和最大薄膜加彎曲應力，結果表明，熱室密封門及壓板在自重、壓力、地震載荷作用下的應力滿足規范要求。