可拆卸风管力学分析设计

黄忠 兰天宝 任茜 徐小刚

中国核电工程有限公司北京市海淀区西三环北路 117号 100840

摘 要：通风系统可拆卸风管由16.5m平台到堆坑的通风系统，对核电站运行有着至关重要的作用，同时为了大修期间的方便拆卸和整体吊装，需要对该段风管支架进行设计，目的是满足三代核电0.3g的抗震和强度需求。方法是根据结构图纸建立有限元模型，设定相应的边界条件，通过结构模态分析，谱分析，屈曲分析结果，对风管结构进行加强设计，对风管支架结构进行设计修改，结果使得整体结构满足核电站相应规范的强度和稳定性要求。结论为以后可拆卸风管的优化设计和力学分析打下了基础。

关键词：可拆卸风管、有限元分析、抗震、屈曲分析

1、引 言

RRV控制棒驱动机构通风系统可拆卸风管为堆坑一回路系统与RRV控制棒驱动机构通风系统之间连接部件，为便于停堆换料期间操作方便等考虑，需要将此区间的风管及支架设计成一体化抗震结构以便于整体吊装、拆移等工作。在16.5m平台风管深入堆坑的关键部位，要在该部分设计风管支架，对风管结构进行固定，以满足抗震所需求的强度和稳定性要求。由于结构和空间限制，导致风管的走向情况比较特殊，整体结构偏心情况较大，对抗震十分不利，因此对支架的设计提出了更高的要求。

2、结构描述

风管支架通过一个平台延伸到下降到另一个方向，M310空间相对开阔，风管和支架布置比较对称，而ACP1000核电厂空间相对狭小，空间不足导致风管走向改变。M310和ACP1000风管及其支架参数对比如下表所示。

表1 参数比对

Table 1 Parameter comparison

图1 模型对比图

Figure 1 Model comparison chart

风管各段之间通过法兰连接，风管和支架的连接也是通过风管法兰和支架之间的螺栓连接方式。需要考虑在自重、地震、内压工况下整体结构满足相应规范要求的强度和稳定性要求，同时由于风管较高负压的影响，还需要对风管变形和屈曲进行评定，保证负压条件下风管结构的强度和稳定性要求。

3、工况和规范

风管各段之间通过法兰连接，风管和支架的连接也是通过风管法兰和支架之间的螺栓连接方式。需要考虑在自重、地震、内压工况下整体结构满足相应规范要求的强度和稳定性要求，同时由于风管较高负压的影响，还需要对风管变形和屈曲进行评定，保证负压条件下风管结构的强度和稳定性要求。

ACP1000相对于M310不仅结构尺寸大，压力大，而且从图2中可以看出ACP1000的反应谱比M310要大上很多，这就是对ACP1000的风管及其支架的抗震设计提出了更高的要求。

图2 M310和ACP1000反应谱对比图

Figure 2 The response spectrum comparison chart between M310 and ACP1000

可拆卸风管属于一个整体，在检修吊装期间也是整体搬运，其中支架、风管和连接螺栓都需要满足相应的规范要求。支架属于线性支撑，需要满足RCC-M规范要求的拉伸、剪切、弯曲以及相应的稳定性要求。螺栓也要满足规范规定的拉伸和剪切应力的要求。在规范NB-T-20039.3中对风管的应力和变形做出了如下规定。

表2 风管应力和变形限制

Table 2 Duct stress and deformation limits

表中： 为薄膜应力， 为弯曲应力，Sy为材料屈曲极限， 为风管允许最大变形。

3 设计修改

3.1 支架设计修改

由于风管载荷长度的增加，还有地震反应谱的大幅增加，导致支架整体应力水平较高，对支架上部支架去掉，这部分对整体支架刚度增加不大，去掉后能减少不少重量，而且支架下部偏心严重，而且偏心部分没有支撑保护，需要在支架侧边增加斜拉支撑来平衡风管偏心部分，但是由于斜拉支撑影响了该部分人员通行，因此改为在侧边2m左右的墙上连接一根水平支撑，既能增加支架刚度，又不会影响人员通行，该水平支撑长度较长，但是由于该部分支撑主要承受拉力，所以不会因为受压弯作用导致的失稳现象发生。

图3 支架修改设计对比图

Figure 3 The comparison chart of support design and modification

3.2 风管设计修改

风管需要考虑地震应力和外压作用下的变形和稳定性，对风管局部局部做了加强筋的处理，风管厚度从最初的1.5mm调整为3mm，在一些变形较大的区域增加加强筋，而有些不必要的加强筋去掉以减少整个风管的重量。

图4 风管设计修改图

Figure 4 Duct design modification chart

3.3 连接部分设计修改

除了上述整体的修改之后，因为空间和碰撞干涉原因，对局部风管尺寸的调整，导致支架局部斜拉的增加和减小。由于风管走向改变导致整个悬空偏心质量较多，因此对于风管约束螺栓载荷过大，不满足规范要求，因此对风管转弯段的风管固定螺栓重新布置排列如下图所示。

图5 螺栓设计修改图

Figure 5 Bolt design modification chart

螺栓重新布置之后，可拆卸分管整体结构的刚性进一步提高，地震工况下螺栓的整体强度满足规范要求，同时也保证了工程进度的顺利进行。

4、力学分析

4.1 模态分析

根据设计在ANSYS中建立相应的有限元模型^[1]，在不同的模型施加相应的边界条件，进行模态分析，模态分析结果如下表所示。

表3 模态分析结果

Table 3 Modal analysis results

上述中的3中形式的支架分别为图2中三种形式的支架计算结果，下图中分别给出了模态分析结果中各阶频率对应的参与质量。

图6 模态分析参与质量比

Figure 6 The participation mass ratio of modal analysis

从上述结果可以看出，支架形式3整体刚性比另外两个好，峰值区域的参与质量也较小，所以对风管及其支架抗震分析的整体效果是更有利的。

4.2 应力应变分析

从图6中可以看出形式1支架在峰值区域内的参与质量最大，从下图中可以看出形式1支架应力最大，从图4中可以看出，在风管变向部位，螺栓强度不够，需要增加该区域螺栓数量来减少单个螺栓的承载力，以满足规范要求的强度要求。而且在风管和支架连接的四个角，由于螺栓载荷较大，需要将M12的螺栓换成M16螺栓以满足规范要求的拉伸和剪切应力要求^[2]。

图7 不同形式支架应力（单位：Pa）

Figure 7 The stress of different type supports (Unit: Pa)

形式3中支架应力比形式2支架应力较大原因是由于支架3中风管尺寸变动和空间碰撞原因导致斜拉支架部分型钢尺寸减小导致的。不仅支架应力需要满足规范要求，还同时需要风管变形能够满足要求^[3]，因此对风管部分变形较大的区域做了加筋处理，而对于一些变形不是很大的区域去掉一些多余的筋板，来尽可能减轻风管的整体重量，以满足抗震需求。

图8 不同形式风管变形(单位：m)

Figure 8 The deformation of different type ducts (Unit: m)

从上图可以看出，在初始设计时，风管最大变形为14.4mm，在风管变形较大的区域增加了一些加强筋之后，最大变形为11.5mm，进一步在较大区域增加横向筋板，然后一些变形不是很大的区域，把一些筋板去掉，最终风管设计计算结果的最大变形为9.2mm。保证了风管工作和地震工况下的安全性能。

4.3 屈曲分析

屈曲分析用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。风管不仅要满足位移的变形要求，而且还需要保证外压作用下结构的稳定性要求，风管标准NB-T-20039规定的风道系统压力分类如下表所示。

表4 风道压力系统分类表

Table 4 The classification table of air duct pressure system

风管工作压力为-5100Pa，属于高压系统范围，因此需要保证风管结构有一定的厚度，对于该种形式结构的风管选取了三种形式壁厚进行屈曲分析，屈曲分析采用弧长法，并考虑初始缺陷，均匀增加外压，考虑几何非线性进行计算^[4]，并考虑1.5倍安全系数，2.0mm的风管不能够满足外压屈曲的要求，要满足5100Pa外压，风管壁厚3.0mm可以满足要求。

表5 风管不同厚度外压屈曲

Figure 5 The external pressure buckling of different duct thickness

图9 风管屈曲分析

Figure 9 The buckling analysis of air duct

5、结 论

RRV可拆卸风管作为堆坑风道系统，有着是什么重要的作用，但是由于空间和碰撞的原因，导致了风管的走向十分特殊，这种走向的风管，下部无法做支架固定，而且整体结构偏心十分严重，这对于抗震十分不利，这就需要对风管及其支架进行相关力学分析和调整。

• 通过模态分析了解结构的各阶阵型和参与质量，谱分析结果查看支架各部分应力状态，根据现场实际条件对风管支架进行调整，使得风管支架能够满足规范要求；

• 通过应力应变分析对风管应力和变形较大的区域增加加强筋，去掉一些不必要的加强筋，既要保证满足应力应变的要求，也不能增加太多的重量，从而对抗震分析造成了不利的影响；

• 由于风管承受负压为高压区域，常规风管的1.5mm和2mm的风管已经不能满足较高的负压作用，通过屈曲分析的结果对比，调整风管壁厚为3mm，以满足结构稳定性的要求；

• 在风管和支架连接的关键区域，承受载荷较大，通过对螺栓承载力分析，不满足规范要求，需要对螺栓的布置进行修改，增加螺栓连接点的个数，加大局部螺栓尺寸等措施。

通过力学相关分析和上述改进方案使得可拆卸风管能够满足规范要求的强度，变形和稳定性的要求。但是更应该在风管设计时从合理布局入手，对整体设计进行优化设计，从而可以减少抗震强度设计和施工现场的投入，合理布局，为后续核电项目的整体优化设计打下坚实的基础。

参考文献

[1] 博弈创作室，APDL参数化有限元分析技术及其应用实例，中国水利水电出版社，2004.3

[2] 水堆核电机械设备设计和建造规范RCC-M 2007版

[3] 核空气和气体处理规范通风、空调与空气净化 NB/T 20039.3 2012

[4] 刘莹, 苏阳, 乔鑫. 某车型备胎盆屈曲的有限元分析 汽车实用技术 2017年16期