1 引言

核級設(shè)備柴油機主貯油罐是核電廠應(yīng)急柴油機的主要儲油罐，其容量應(yīng)滿足柴油發(fā)電機組以額定功率輸出時可靠地運行7 天的用油量，在核電廠中擁有重要的作用。本文采用ANSYS有限元分析軟件對該主貯油罐在設(shè)計工況、事故工況和水壓試驗工況下進(jìn)行強度分析，并采用RCC-M規(guī)范評定了分析結(jié)果。

2 柴油機主貯油罐簡介

柴油機主貯油罐的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

柴油機主貯油罐為臥式容器，主要由兩個碟形封頭、殼體、鞍座、人孔、封頭吊耳、筒體吊耳、內(nèi)梯、外梯以及接管等零部件組成，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

該貯油罐采用三個支座支承，用于設(shè)備安裝。容器簡體上設(shè)有三個DN500 的人孔，人孔蓋板設(shè)有轉(zhuǎn)臂。底部有一個帶排放管的小型碟形封頭作為油水分離槽，用以收集并導(dǎo)出帶進(jìn)來的水，排放管將水定期排出。

該貯油罐主要材料為20HR-B；設(shè)計溫度為50℃。該貯油罐分級見表1，主要材料力學(xué)性能參數(shù)見表2。

3 有限元分析

3.1 計算模型

計算模型簡化掉內(nèi)梯、外梯、吊耳和部分接管等結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量等效到筒體。筒體、鞍座和加強板采用Shell181 號殼單元模擬，給殼單元賦予相應(yīng)壁厚；對于不同形狀和不同厚度的殼體，采用殼單元的偏置和分段平均的方法來模擬。筒體加強筋采用Beam188 號梁單元模擬，加強筋采用面切割成線，劃分梁單元生成有限元模型，因Shell181 單元無中間節(jié)點，故采用兩節(jié)點Beam188 號梁單元模擬加強筋，整個有限元模型共有節(jié)點26993 個，單元27392 個，見圖2 和圖3。

圖2 柴油機主貯油罐有限元模型

3.2 約束與載荷

有限元模型中，Y 表示豎直方向，Z 表示筒體軸向方向，X 表示筒體橫向方向，鞍座底板施加Y 方向約束UY=0，中間鞍座螺栓孔節(jié)點處施加三個方向平動約束，即UX=UY=UZ=0，兩側(cè)鞍座螺栓孔施加兩個方向平動約束，即UX=UY=0，如圖4 所示。

該主貯油罐主要承受罐體和介質(zhì)自重、內(nèi)壓、接管載荷及地震載荷。罐體自重，通過在整個罐體模型施加y 軸反方向的重力加速度模擬。介質(zhì)自重，通過在罐壁上施加按三角形分布、從上到下逐漸增加的液體靜壓力，距離液面高度h 的罐壁承受的液體壓力p= ρ g h（ρ為介質(zhì)密度，g 為重力加速度，h 為某點距液面高度）。儲液高度為5600mm，液體壓力由液面的0 增大至罐底的46648Pa，該載荷呈三角形線性增加。接管載荷如表4 所示；樓層反應(yīng)譜采用DY 廠房標(biāo)高為-3.30m、阻尼比為2%的樓層反應(yīng)譜作為主貯油罐地震載荷的輸入數(shù)據(jù)，OBE 樓層反應(yīng)譜=1/2SSE 樓層反應(yīng)譜。

根據(jù)受載情況，柴油機主貯油罐各工況的載荷組合如表5 所示。

3.3 評定準(zhǔn)則

3.3.1 設(shè)備評定準(zhǔn)則

柴油機主貯油罐根據(jù)RCCM 篇 D3300 設(shè)計。設(shè)備為抗震1F 級，其事故工況采用C級準(zhǔn)則評定，評定準(zhǔn)則見表6。

3.3.2 鞍座評定準(zhǔn)則

柴油機主貯油罐鞍座，根據(jù)RCCM H3320 設(shè)計，其評定準(zhǔn)則見表7。

3.4 結(jié)果評定

根據(jù)各工況載荷疊加后的計算結(jié)果，進(jìn)行應(yīng)力評定。經(jīng)評定，柴油機主貯油罐承壓部件和支架部件應(yīng)力結(jié)果均滿足RCC-M 規(guī)范和設(shè)計說明書要求。

柴油機主貯油罐應(yīng)力評定結(jié)果如表8~表11 所示。

對于鞍座評定，可根據(jù)事故工況計算結(jié)果，采用設(shè)計工況的應(yīng)力限值進(jìn)行評定，結(jié)果是保守的，可包絡(luò)OBE 工況結(jié)果，具體評定如下：

下圖為柴油機主貯油罐承壓部件與支架的應(yīng)力計算云圖。

3.5 結(jié)果分析

從圖5 可知，最大應(yīng)力值發(fā)生在筒體與小封頭連接處，值為132.59MPa，此處為筒體與封頭連接處的不連續(xù)區(qū)域，而小封頭距離筒體邊緣僅334mm。因此，在有限元分析中，考慮移動小封頭的位置，使其遠(yuǎn)離筒體邊緣，結(jié)果顯示最大應(yīng)力值變小，如圖6 所示, 最大應(yīng)力值仍然發(fā)生在筒體與小封頭連接處，值為130.63MPa。

4 結(jié)束語

通過有限元分析，表明柴油機主貯油罐承壓部件和支架部件在所考慮工況下滿足RCC-M 規(guī)范和設(shè)計說明書要求，確保了結(jié)構(gòu)強度的可靠性。柴油機主貯油罐應(yīng)力峰值發(fā)生在筒體與小封頭連接處、人孔與筒體連接處、蝶形封頭與筒體連接處附近，其中最大應(yīng)力值發(fā)生在筒體與小封頭連接處。移動小封頭位置遠(yuǎn)離筒體邊緣處，可適當(dāng)降低最大應(yīng)力值。此分析結(jié)果通過了國家核安全局審查，可以為實際核電工程項目提供參考。