含限位挡块的核电设备中挡块的力学分析方法研究

含限位挡块的核电设备中挡块的力学分析方法研究

叶奇，李海胜

中国核电工程有限公司

摘要：核电设备通常是焊接或地脚螺栓进行固定，而部分设备设计中会设置挡块来进行限位约束，其中挡块的强度直接关系到整个设备的安全。本文着重研究含限位挡块的核电设备中挡块的力学分析评定方法，考虑自重、接管载荷、地震等载荷，对某换热设备中的限位挡块进行分析评定，计算结果表明，挡块满足规范要求。本文挡块分析评定方法适用于解决工程中其它类似问题。

关键词：核电设备，挡块，抗震分析

0 引言

在核电设备设计过程中，对于设备支座的固定方式通常有直接焊接固定或者地脚螺栓固定，部分设备设计会采用限位挡块的方式来进行固定，挡块的强度能否满足要求直接关系到整台设备的安全，而挡块与支座之间属于接触连接，如果直接按接触分析来计算评定，设备抗震分析无法采用相对简单的谱分析方法，只能采用比较保守的静力学分析方法，因此挡块如果采用接触分析既面临着接触分析收敛难、时间计算成本高等问题，又得采用更保守的方法来考虑地震等动载荷导致计算更不易满足要求。为了满足工程进度要求，亟需研究更为简单合理的挡块力学分析方法。本文以某换热设备中的限位挡块为对象，研究挡块的力学分析评定方法，并采用ANSYS有限元软件进行计算对其中的挡块进行分析评定。

1 挡块结构及材料参数

该设备支座底板通过螺栓及限位挡块进行固定，安装在槽钢及H型钢组合成的支架上，支架焊接在预埋板上，固定支座底板四周共设置8个限位挡块分别限制支座底板两个水平方向的位移，滑动支座底板平行滑动方向的两侧共设置4个限位挡块限制支座底板一个水平方向的位移，挡块不与底板相接触的三侧通过角焊缝与基础板进行焊接固定。挡块及支架结构如图1所示。

图1 挡块约束示意图

支架及挡块的材料为Q235-B，材料力学性能参数如表1所示。

表1 材料力学性能参数

2 挡块载荷的确定

挡块与底板边缘之间实际上是一种接触关系，但是由于螺栓及挡块的限位作用，支座并不会出现大位移动作，此处考虑将挡块限位作用进行简化处理，将挡块简化成梁，以挡块中心点与底板接触范围节点做限位方向的自由度耦合，挡块限位作用简化模拟示意图如图2所示。对整个设备进行抗震计算，通过提取挡块上的载荷来最终对挡块进行计算评定。如此处理的好处是避免做接触分析，同时因为支座被限定位移，耦合自由度与支座的限位作用是等效的，以此简化处理方法简单合理，可以方便地对挡块强度进行分析评定。

图2 挡块简化模拟示意图

考虑自重、内压、接管载荷及地震等载荷，进行设备的抗震计算，在后处理过程中分工况提取挡块的载荷，并进行工况的组合处理得到各挡块正常、异常及事故工况下的剪力值，如表2为所有挡块各工况剪力的包络值，此值可直接用于后续的计算评定中。

表2 挡块各工况剪力包络值

3 挡块力学评定方法

按RCC-M规范在H1310节的规定，2级和3级设备的支承件为S2 级。S2级支承件必须遵守H3300节规定的设计规则。板式或壳式支承件在不同设计准则的应力限值列于表3中。

表3 支承应力评定限值

表中为薄膜应力（包括不连续效应，不包括应力集中）、为一次弯曲应力（不包括应力集中和不连续效应）、为材料的基本许用应力，Sy为屈服强度，Su为抗拉强度。

根据RCC-M规范C3289节中适用于支承应力限值相关规定，当支撑载荷作用于自由端边缘附近，尤其是凸缘翻边的附近时，应当考虑剪切断裂的可能性。在仅有机械载荷产生应力时，平均剪应力必须限在0.6Sm以下。根据RCC-M规范C3289节中针对剪应力的限值相关规定，除要求遵守D级准则的工况外，由运行或试验工况中纯剪切载荷在横截面上出现的平均一次剪应力必须限制在0.6Sm之内。针对挡块问题，挡块既属于支撑载荷作用于自由端边缘附近，又基本上处于纯剪切载荷状态，以上两种规定均相符，因此，对于挡块的评定，将平均剪应力限制在0.6Sm以下。

4 挡块力学分析结果

该设备的支撑底板周围共有12个30mm*30mm*60mm限位挡块，每个挡块三个侧面与基础板通过6mm角焊固定，挡块最危险部位为焊缝处，焊缝截面基本处于纯剪状态，平均剪应力限制在0.6S以下，取所有挡块包络最大剪力进行计算评定，评定结果如表4所示。

表4 挡块评定结果

以上结果表明各个工况下挡块强度均满足RCC-M规范的相关要求。

5 结论

本文研究含挡块约束的核电设备中挡块的力学分析方法，借助ANSYS有限元分析，研究了挡块载荷的求解方法，并研究了挡块的力学评定方法，计算结果满足规范要求。本文中挡块评定方法可为其它含挡块的设备评定提供借鉴。

参考文献

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