胡志強(qiáng)，徐嗣華，王 威

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院土木工程系，上海 200240;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)能源的過度開發(fā)和粗放利用使得我國(guó)面臨日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。一方面，能源面臨短缺，環(huán)境污染問題嚴(yán)重，而太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿染G色新能源因技術(shù)仍在繼續(xù)完善、成本過高而未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化;另一方面，生產(chǎn)和生活的用電需求仍在增長(zhǎng)，每年全國(guó)仍有相當(dāng)數(shù)量的地區(qū)需要在高峰期進(jìn)行拉閘限電。在這種情況下，核電作為一種清潔、穩(wěn)定，并有助減緩氣候變化影響，且已有相當(dāng)成熟的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)的能源利用方式，再一次迎來了發(fā)展高峰，我國(guó)也提出了“積極發(fā)展核電”的政策。2011年日本地震引發(fā)的福島核泄漏事件引發(fā)了社會(huì)對(duì)核電的質(zhì)疑、抗拒和不理解，但政府仍沒有改變建造核電的初衷，只是態(tài)度更加審慎。鑒于核電的重要性以及人們對(duì)核電意外事故的恐慌，建設(shè)更加安全、可靠的核電顯得尤為重要。在此背景下，本文以某核電站汽輪機(jī)及其彈簧基礎(chǔ)為對(duì)象進(jìn)行整體抗震性能分析研究，以期為核電設(shè)備的抗震性能計(jì)算提供一種較為簡(jiǎn)便的方法。

1 研究對(duì)象及方法

汽輪機(jī)是核電站常規(guī)島中最重要的設(shè)備之一，是精密度很高的大型設(shè)備，其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、質(zhì)量重而且分布不均、安裝高度高、與外部結(jié)構(gòu)的連接多且復(fù)雜。這些因素使得對(duì)其進(jìn)行整體抗震分析時(shí)不能僅孤立地考慮汽輪機(jī)本身，還必須考慮到其它結(jié)構(gòu)的影響，最典型的是直接支撐機(jī)組的基礎(chǔ)?；A(chǔ)的動(dòng)力特性在一定程度上決定或影響了其支撐的設(shè)備在地震條件下的反應(yīng)［1-3］，但設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性又反過來制約和影響著基礎(chǔ)類型的選擇和具體設(shè)計(jì)［4］。為充分考慮基礎(chǔ)及設(shè)備在外力作用情況下的相互影響，最好是將基礎(chǔ)與設(shè)備一起納入整體的計(jì)算模型進(jìn)行耦合［5］，然后對(duì)整個(gè)耦合系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)程分析，從而得到在完整的時(shí)程下考慮彼此相互作用的位移和載荷分布結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行獨(dú)立的分析評(píng)估，結(jié)果將更加可靠和準(zhǔn)確。

需要說明的是，核電設(shè)備的抗震分析并不等同于核電廠的抗震分析，前者包含在后者內(nèi)，而又與常規(guī)理解的后者內(nèi)容有所差別。眾所周知，核電站由于其存在潛在放射性擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)，其抗震分析及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都受到相當(dāng)嚴(yán)苛的考驗(yàn)，然而，這與針對(duì)不同安全級(jí)別的組成部分的抗震需求還是有區(qū)別的。根據(jù)美國(guó)核管會(huì)(NRC)的導(dǎo)則RG1.29［6］推薦的方法，按承受安全停堆地震效應(yīng)要求，核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備各物項(xiàng)可劃分為抗震I 類(C-I)、抗震II 類(C-II)、非抗震類(NS)等3類?；径x如下:

1)抗震I 類:在地震條件下既要保持功能又必須保證完整性的物項(xiàng)。

2)抗震II 類:在地震條件下只須保證完整性而無需執(zhí)行功能的物項(xiàng)。

3)非抗震類:不屬于C-I 和C-II 的物項(xiàng)均為非抗震類，核電站廠區(qū)的非核設(shè)施，如壓水堆核電站的汽輪機(jī)廠房及其它輔助設(shè)施均屬于此類。對(duì)于此類物項(xiàng)，美國(guó)規(guī)定直接按通用建筑規(guī)范(UBC)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而我國(guó)則規(guī)定，按民用建筑規(guī)范的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其設(shè)防烈度應(yīng)比廠址區(qū)域的基本烈度提高1 度［7］。

鑒于上述規(guī)定，同時(shí)為更好地探討汽輪機(jī)整體抗震動(dòng)力分析方法，本文按我國(guó)對(duì)核電站非抗震類物項(xiàng)的規(guī)定，參考民用建筑設(shè)計(jì)的方法，以《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)為指導(dǎo)，借鑒使用其中的一些設(shè)計(jì)思想和驗(yàn)算方法:

“三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)思想:即設(shè)防目標(biāo)按小震不壞、中震可修、大震不倒分為三級(jí)水準(zhǔn);設(shè)計(jì)過程則按對(duì)構(gòu)件在多遇地震作用下進(jìn)行彈性變形分析及在罕遇地震作用下進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算兩階段來完成。

時(shí)程分析法:將建筑物作為彈性或彈塑性振動(dòng)系統(tǒng)，將地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移、速度、加速度直接作用在該系統(tǒng)上，然后用動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)方程直接積分，從而獲得系統(tǒng)各質(zhì)點(diǎn)位移、速度、加速度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震剪力的時(shí)程變化曲線。這是一種能準(zhǔn)確反映地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)的方法。

采用時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析通常包括以下幾個(gè)步驟:(1)建立結(jié)構(gòu)的幾何模型;(2)對(duì)模型進(jìn)行前處理，包括定義載荷或約束等邊界條件，定義各構(gòu)件的單元類型和材料類型等;(3)輸入適合的地震波，開始計(jì)算;(4)計(jì)算完成后，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的可靠度作出評(píng)估［8］。

2 模型建立及前處理

本文以某核電站汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組及其基礎(chǔ)為研究對(duì)象。汽輪機(jī)由1 個(gè)高壓缸、2 個(gè)低壓缸組成，做功后的乏汽經(jīng)由2 個(gè)低壓缸兩端向下排入凝汽器，在凝汽器中冷凝成水后繼續(xù)循環(huán)利用。由于凝汽器和低壓缸以及基礎(chǔ)的連接較為復(fù)雜而不容忽視，所以我們將凝汽器也納入分析范圍。機(jī)組采用的是彈簧基礎(chǔ)，由鋼筋混凝土頂板、柱子、中間層和底板組成，頂板上依次安裝高壓缸、1號(hào)低壓缸、2 號(hào)低壓缸、發(fā)電機(jī)等。低壓內(nèi)缸的貓爪穿出外缸支撐在基礎(chǔ)(預(yù)埋件)上，外缸則由下半側(cè)板上的支架支撐在基礎(chǔ)臺(tái)板上。凝汽器與低壓缸下部剛性連接位于臺(tái)板以下，通過彈簧坐落于基礎(chǔ)的底板上。

本文采用Unigraphics NX 軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，利用HYPERMESH 進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前處理，最后由LS-DYNA 進(jìn)行求解計(jì)算并輸出分析結(jié)果。

在建模過程中，為了避免由于計(jì)算內(nèi)容太過龐大而引起相應(yīng)的問題，本次研究對(duì)汽輪機(jī)高壓缸及發(fā)電機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即將其轉(zhuǎn)子部件按等效梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，而靜子部件如外缸等部件按載荷的形式分布在相應(yīng)的基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)上，整體布置結(jié)構(gòu)示意模型如圖1 所示。

圖1 整體布置圖

本文依托于工程實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行研究，各部件材料及特性參數(shù)均按實(shí)際定義?；A(chǔ)部分除底板采用C40 混凝土外，其余柱子、頂板等均采用C50混凝土。汽輪機(jī)低壓外缸和凝汽器水室采用Q235B 鋼材，低壓內(nèi)缸采用P265GH(20g)鋼材，轉(zhuǎn)子采用等效參數(shù)。由于彈性及彈塑性地震時(shí)程分析的區(qū)別僅在于所用的材料本構(gòu)模型以及地震波的不同，為避免重復(fù)和累贅，本文僅考慮罕遇地震下的彈塑性分析，相應(yīng)的各材料本構(gòu)模型為彈塑性模型，其主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料主要性能參數(shù)

各實(shí)體部件之間的連接均按工程實(shí)際情況定義。例如，低壓內(nèi)缸通過四周的支撐貓爪支撐于預(yù)埋在基礎(chǔ)中的支座上，約束Z 方向的相對(duì)位移，除軸向定位處外，其余貓爪沿X、Y 方向可以自由熱脹。外缸與基礎(chǔ)的連接設(shè)置與此相同，凝汽器喉部與外缸底部定義為剛性連接，而轉(zhuǎn)子的支撐軸承采用水平和豎向剛度來等效。

由于本文模型整體相當(dāng)復(fù)雜，存在各種子結(jié)構(gòu)，在定義單元格類型時(shí)，采用了多種不同類型單元混用的方法來求解:主結(jié)構(gòu)采用六面體單元;低壓內(nèi)缸和水室內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)采用一維桿單元;凝汽器外殼、水室、底板及隔板等采用殼單元，其內(nèi)部支撐及冷卻水管采用梁?jiǎn)卧?。此外，由于凝汽器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部支撐架和冷卻水管尺寸小而數(shù)量多，為順利進(jìn)行網(wǎng)格劃分和方便計(jì)算，在建模時(shí)對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略冷卻水管中水的晃動(dòng)產(chǎn)生的作用，將其以等效質(zhì)點(diǎn)的形式分布于水管節(jié)點(diǎn)處。

本次分析模型節(jié)點(diǎn)378 882 個(gè)，單元338 955個(gè)。由于模型復(fù)雜、單元節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大，為確保計(jì)算收斂以及結(jié)果可靠準(zhǔn)確，本文通過以下方法對(duì)彈簧基礎(chǔ)、低壓外缸和凝汽器模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析:加速度響應(yīng)分析的結(jié)果表明，地震下彈簧基礎(chǔ)頂部的加速度比輸入的加速度大大降低，也就是說彈簧基礎(chǔ)起到了隔震的效果，符合彈簧基礎(chǔ)的性能特點(diǎn);模態(tài)分析的結(jié)果則表明，低壓外缸和凝汽器具有良好的整體剛度和各階模態(tài)，說明單元間的連接是有效的，所建立的模型是合理可靠的。劃分網(wǎng)格后的整體有限元模型如圖2 所示。

圖2 整體網(wǎng)格模型

3 地震參數(shù)輸入及結(jié)果分析

在采用時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算時(shí)，需要輸入地震波加速度的時(shí)程曲線。理論和實(shí)踐證明，輸入不同的地震波，所得出的地震反應(yīng)相差甚遠(yuǎn)。因此選擇合適的地震波相當(dāng)重要。一般選用的地震波有以下三種:(1)擬建場(chǎng)地的實(shí)際地震記錄;(2)典型的強(qiáng)震記錄;(3)人工地震波。

本文地震波的記錄基于EL-centro 波，該波加速度南北分量最大峰值amax=0.33 g，其記錄主要周期為0.25～0.6 s。加速度反應(yīng)譜主峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期為0.55 s。這一記錄由于加速度峰值較大，且波頻范圍較寬，因此多年來被工程界作為大地震的典型例子加以廣泛應(yīng)用。本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行人工調(diào)整以滿足設(shè)防烈度為8 度的需求。根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，8 度設(shè)防烈度下罕遇地震時(shí)程分析(彈塑性分析)所用的地震加速度最大值為4 m/s2，因此調(diào)整后的加速度譜如圖3 所示。

分析時(shí)地震波分別沿X、Y 方向從基礎(chǔ)底板輸入，除地震波輸入方向外，基礎(chǔ)底部約束其它方向自由度。同時(shí)模型跨度相對(duì)地震波而言很小，故忽略行波效應(yīng)，地震波采用一致性輸入，即同一時(shí)刻基礎(chǔ)底部各處輸入的地震加速度是一樣的。

圖3 彈塑性分析加速度時(shí)程曲線

由于汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精密性，尤其是通流間隙往往只有幾毫米，地震引起的部件相對(duì)位移過大則可能會(huì)引起動(dòng)、靜葉片碰磨。有關(guān)核電站和火電站汽輪機(jī)震害調(diào)查的研究表明［2-3，9］，地震引起的動(dòng)靜碰磨是造成汽輪發(fā)電機(jī)組損壞的一大原因，因此，本文就轉(zhuǎn)子和靜子部件間相對(duì)位移方面進(jìn)行分析說明。

3.1 轉(zhuǎn)子與臺(tái)板的位移響應(yīng)

圖4 和圖5 分別表示了轉(zhuǎn)子和臺(tái)板的絕對(duì)位移以及它們間的相對(duì)位移。從中可以看出，在地震波加速度峰值對(duì)應(yīng)的2 s 左右，轉(zhuǎn)子和基礎(chǔ)臺(tái)板的位移響應(yīng)在10～15 mm 范圍，相對(duì)位移約為5 mm;在經(jīng)歷了地震的整個(gè)時(shí)程后，基礎(chǔ)臺(tái)板頂部的最大位移響應(yīng)超過了150 mm，轉(zhuǎn)子相對(duì)臺(tái)板的位移約為21 mm。僅僅這2 處數(shù)據(jù)尚不能直接說明問題，還必須考慮臺(tái)板與外缸、外缸與內(nèi)缸、內(nèi)缸與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位移情況。由于本文研究的機(jī)組低壓內(nèi)缸直接支撐在基礎(chǔ)上而不是由低壓外缸支撐，因此將臺(tái)板與外缸、外缸與內(nèi)缸的相對(duì)位移合并成臺(tái)板與內(nèi)缸的相對(duì)位移。由于各部位的判斷方法是一樣的，為避免累贅，下文僅以轉(zhuǎn)子與1 號(hào)低壓缸調(diào)閥端排汽側(cè)位置為例來說明。

圖4 轉(zhuǎn)子與臺(tái)板的位移

3.2 內(nèi)缸相對(duì)于臺(tái)板的位移響應(yīng)

圖6 所示為內(nèi)缸與基礎(chǔ)臺(tái)板間的相對(duì)位移，從圖中可見，在2 s 左右，內(nèi)缸相對(duì)于基礎(chǔ)臺(tái)板的位移約為2 mm，而在經(jīng)歷了完整的地震時(shí)程之后，內(nèi)缸與臺(tái)板的相對(duì)距離又基本恢復(fù)到了初始值。整個(gè)時(shí)程中內(nèi)缸最大相對(duì)位移約4.2 mm。結(jié)構(gòu)上，內(nèi)缸在支撐貓爪處被設(shè)計(jì)成可以沿X、Y方向自由熱脹，有足夠的空間容納內(nèi)缸的相對(duì)位移，可以判斷此處結(jié)構(gòu)在地震作用下是安全的。

圖6 內(nèi)缸的相對(duì)位移

3.3 轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)缸的位移響應(yīng)

圖7 所示為轉(zhuǎn)子與內(nèi)缸之間的相對(duì)位移，從圖中可以看出，在2 s 左右，轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)缸的位移約為2 mm，在經(jīng)歷了完整的地震時(shí)程之后，相對(duì)位移增大到約11 mm。整個(gè)時(shí)程中轉(zhuǎn)子相對(duì)內(nèi)缸的最大位移約11 mm。

圖7 轉(zhuǎn)子的相對(duì)位移

由于低壓缸通流間隙從第一級(jí)到最末級(jí)相差較大，即從最小3 mm 到最大16 mm，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)確定上述最大位移所處位置，并與該處通流間隙相比即可確定是否發(fā)生動(dòng)靜碰磨。如果碰磨發(fā)生，還可進(jìn)一步分析碰磨的原因，如軸承在地震作用下失穩(wěn)失效、汽缸發(fā)生了塑性變形等，在此基礎(chǔ)上對(duì)部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文通過將汽輪機(jī)及基礎(chǔ)模型耦合在一起并對(duì)其進(jìn)行完整的時(shí)程分析，得出了某些重點(diǎn)部位的位移響應(yīng)，在某種程度上直接評(píng)估了汽輪機(jī)的抗震能力。此種分析方法也可以得出系統(tǒng)內(nèi)各具體位置的加速度響應(yīng)以及應(yīng)力分布狀況等，這些內(nèi)容可以作為輸入數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)和考核設(shè)備部套，這將比常規(guī)的做法更加可靠和準(zhǔn)確。由于篇幅有限，此次分析計(jì)算的其它結(jié)果以及在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備各部件進(jìn)行的分析評(píng)估工作將留待日后探討。

［1］周向群，吳建軍，宋遠(yuǎn)齊.AP1000 核電廠汽機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型的探討［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，43(S1):160-164.

［2］張學(xué)奇，李炳林，秦波.5.12 大地震發(fā)電廠震害分析及抗震設(shè)防應(yīng)注意的問題［J］.陜西電力，2009，37(6):31-35.

［3］郭平英，李明，徐潔，等.汶川地震對(duì)運(yùn)行中汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)影響分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2008，50(6):465-467.

［4］吳冰，王盾，邵曉巖.軟土地基、高烈度區(qū)的汽輪發(fā)電機(jī)基座選型對(duì)比［J］.電力建設(shè)，2010，31(5):111-116.

［5］王曉雯，夏祖諷.土建結(jié)構(gòu)與主回路耦聯(lián)模型抗震分析研究［J］.核動(dòng)力工程，2002，23(S1):130-134.

［6］U.S Nuclear Regulatory Commission，Regulatory Guide 1.29，NUREG-0800 ［S］.USA:US NRC，Nuclear Regulatory Commission，1975.

［7］李忠誠(chéng).考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)的核電廠地震響應(yīng)分析［D］.天津:天津大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［8］徐曉龍，高德志，桂滿樹，等.北京某超高層商住樓動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(S1):80-82.

［9］潘華，李金臣.2007年7月16 日日本新潟地震對(duì)柏崎刈羽核電站的影響［J］.國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2007，347(11):22-32.