引言
泵用于實現(xiàn)流體的定向輸送,是核電站系統(tǒng)中常見的關鍵設備。泵進行抗震分析的目的在于確保泵在地震載荷、自重載荷、接管載荷、內壓等載荷共同作用下保持結構完整性和可運行性。
目前,國內外采用的抗震分析方法有等效靜力法、反應譜法和時程分析法,這三種方法根據(jù)結構物與地震之間的動力特性和時程關系進行區(qū)分,根據(jù)實際計算要求和條件分別適用。近年來,學者對于泵類抗震分析主要是采用反應譜法和等效靜力法,將泵模型簡化為質點系模型;也有學者采用三維實體模型進行分析。
通常情況下,泵的抗震數(shù)值分析均采用不帶有液體工質的泵體模型,不考慮泵內工質對計算結果的影響。但實際上,泵在運行或熱備用工況下,泵體內始終充滿液體工質,是一種泵體加液體工質的混合狀態(tài)。本文采用泵體加內部液體工質的混合模型進行抗震分析,將結算結果與常規(guī)不帶液體的泵體模型計算結果進行比較,并分析和評估不同的模型選擇對抗震計算結果的影響。
1計算模型
1.1泵模型結構
計算對象為臥式單級單吸軸進徑出式碳鋼離心泵。本文采用solidworks軟件按原尺寸分別對泵體、轉子、軸、機械密封、軸承箱體、支腳、泵蓋、前后軸承壓蓋等部件進行造型和建模,并對部件局部復雜結構適當簡化后進行組合,泵體模型及剖面結構如圖1所示。
該泵由380V空冷電機驅動,放置于室內。額定揚程為28m,額定流量為220m3/h,最小流量為154m3/h,最大流量為264m3/h,轉速不超過3000r/min。系統(tǒng)設計壓力為1MPa,設計溫度為60℃。泵組正常運行環(huán)境壓力為大氣壓力,正常運行環(huán)境溫度為0~45℃,事故狀態(tài)下最高環(huán)境溫度為60℃。輸送工質為加磷酸鈉的核島除鹽水。計算模型各部件使用的材料如表1所示。
該泵在事故工況下須迅速啟動,為其他系統(tǒng)提供冷卻水和軸封水,因此實際工作過程中泵內部一直充滿工質。圖2為考慮泵內流體工質的混合模型。
1.2網(wǎng)格無關性驗證
反應譜法是將振型組合以得到地震響應,固有頻率以及相應的振型是本文研究關注的對象。本文以模態(tài)分析得到的第一階固有頻率作為網(wǎng)格無關性驗證的評判指標。網(wǎng)格無關性驗證相關計算結果如圖3所示。
在泵內不含流體工質時,泵體網(wǎng)格數(shù)量超過40萬后,其第一階固有頻率的計算結果不再隨網(wǎng)格數(shù)量增加而變化(如點實線所示),即網(wǎng)格數(shù)量為40萬時可滿足計算精度要求。在泵內充滿流體工質時,網(wǎng)格數(shù)量超過50萬后,其第一階固有頻率的計算結果相對穩(wěn)定(如點虛線所示),即在網(wǎng)格數(shù)量為50萬時可滿足計算精度要求。因此,本文對于充滿流體工質的泵網(wǎng)格劃分數(shù)量為50萬。
2地震響應譜分析
地震響應譜分析以模態(tài)分析為基礎,需要將地表震動引起的振型與結構自身固有頻率對應的振型采用一定的組合方式來進行疊加,從而得到最終的應力響應與位移響應。
2.1泵體模型
2.1.1模態(tài)分析
模態(tài)分析時,泵轉子與定子間的接觸類型選為一般的剛性接觸。泵體的支撐由三個支腳與底座相連接實現(xiàn),本文忽略地腳螺栓結構,將支腳底面的約束條件設置為固定約束:忽略聯(lián)軸器及電機,將軸與聯(lián)軸器相接觸的部分約束條件設置為圓柱體約束并約束軸向位移:對于接管約束,由于模型忽略了輸口和出口法蘭及與法蘭相接的管道,但是在管道上的支撐不能忽略,因此對輸水口和出水口采用遠端位移約束,且沿軸向方向約束位移。
計算得出泵的第一階固有頻率為351.88Hz,遠大于50Hz的地震譜頻率。只有當結構物的固有頻率比地震動頻率大很多時,結構物在地震時才可能幾乎不產(chǎn)生變形而可以被當作剛體,靜力分析法才能成立。因此,靜力分析法在本文泵體模型中適用。
2.1.2地震響應譜分析結果
圖4為當?shù)丶铀俣鹊卣鹱V,分為垂直方向和水平方向。為找出最嚴重的情況來做應力評定,本文將考察地震譜在不同角度~輸時的應力和位移響應。對于垂直方向加速度有上下兩個方向,而對于水平方向則以3正方向為基準按每間隔一定的角度~輸一組水平方向地震譜。
地震譜阻尼比為3%,響應組合方式采用SRSS方法,譜分析方法采用單點響應譜分析法。其中,地震譜~輸角度為水平方向與3方向的夾角。
在泵體模型情況下,抗震計算結果如表2所示。
2.2混合模型
2.2.1模態(tài)分析
混合模型計算的邊界條件與上一節(jié)中的泵體模型設置一樣,不同的是內部工質液體與固體間的接觸設置為沒有法向分離。計算得出泵的第一階固有頻率為405.54Hz。
2.2.2地震響應譜分析結果
在相同的地震譜~輸條件下,響應組合方式采用SRSS方法,譜分析方法仍采用單點響應譜分析法。
在混合模型情況下,抗震計算結果如表3所示。
2.2結果對比
對比表2與表3所示的響應譜分析數(shù)據(jù),殼體模型和混合模型的計算結果有明顯差異,其中最大應力位置發(fā)生變化,最大應力數(shù)值前者明顯大于后者(約2R4倍),最大位移值略大但比較接近。
對于不帶有液體工質的情況,泵最大應力位置在葉輪葉片根部,最大位移位置在葉輪輪蓋側邊和泵體出水口處。對于泵充滿了液體工質的情況,最大應力位置出現(xiàn)在泵體外殼與支腳連接處,最大位移響應位置僅出現(xiàn)在泵體出水口處。
3等效靜力法分析
3.1邊界條件及輸入載荷設置
轉子和定子之間設為線性接觸,即在切向上可自由滑動。其他部件之間接觸定義為一般剛性接觸,即無相對位移,接觸部分可看做共用節(jié)點。
邊界條件為底部支腳固定約束,忽略聯(lián)軸器后將軸與聯(lián)軸器相接觸的部分約束條件設置為圓柱體約束并設置為軸向固定,對于接管約束,采用遠端位移約束且沿軸向方向約束位移。
輸入載荷為自重載荷、地震載荷和接管載荷。自重載荷通過重力加速度的形式輸入。地震載荷通過加速度的形式輸入,方向設置分為垂直方向和水平方向,垂直方向分上下兩個方向,水平方向按一定角度間隔設置,數(shù)值大小取為地震加速度譜的最大值。接管載荷是施加在泵入水口和出水口上的載荷,通過力和力矩的形式輸入。
3.2等效靜力法計算結果
泵體模型與混合模型的邊界條件與輸入載荷的設置基本一致,唯一不同的是混合模型包含泵與泵內流體工質兩種自重載荷。兩種模型的計算結果分別如表4、表5所示。
由表4與表5的靜力分析結果比較可知,所有最大應力計算值均遠遠小于材料的許用應力值,發(fā)生在轉子與定子之間的最大位移值也小于轉子和定子的間隙值。不帶有流體工質泵的最大應力位置在葉片根部,應力值整體高于混合模型,而混合模型的最大應力則出現(xiàn)在支腳與泵殼連接處,個別點的最大應力計算值在相同條件下大于泵體模型[如0o(y-)方向和0o(y+)方向]。一方面,這是由于液體工質相對于空氣而言,具有更大的密度和黏性,可產(chǎn)生更有效的緩沖作用,包裹葉輪的液體工質降低了應力與位移響應。另一方面,液體工質同時也提供了更大的重力,所以使得支腳與泵殼連接處的應力值變大。
從安全性分析角度來看,采用泵體模型并不能在所有維度上覆蓋,混合模型可能在某些方面計算獲得更高的參數(shù)數(shù)值。此外,由計算可知地震譜輸入方向的改變對計算結果有明顯的影響,其中水平方向的改變影響較大。因此,載荷加載方向也是抗震分析的重要影響因素,具體情況還受到計算模型具體結構的影響。
4結論
(1)采用反應譜法和等效靜力法兩種方法,分別對不含流體工質的泵體模型和含流體工質的混合模型進行抗震分析計算,結果均表明該泵在地震載荷下能夠保證其結構和功能的完整性。
(2)采用泵體模型計算的最大位移值普遍大于混合模型的計算結果。泵體模型的最大響應位置為葉輪等泵體關鍵位置,混合模型的最大響應位置則為泵體出水口位置。
(3)泵內是否充滿液體工質以及載荷的加載方向對計算結果具有一定影響。因此,對此類型的泵進行抗震計算與分析時,若基于泵體模型的計算結果遠小于破壞極限值,則可認為抗震校核成功:若基于泵體模型的計算結果接近破壞極限值,則可考慮添加流通域,采用混合模型進行進一步校核計算,同時考慮載荷加載方向對計算結果的影響,以獲得更加精確的抗震校核計算結果。
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