核安全级设备的抗震鉴定.ppt
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1、仿真分析在核电工程中的高级应用,安世亚太,核安全级设备的抗震鉴定,一、前言,核安全级设备的设备鉴定的目的是证明该设备在其寿期内(如40年),在各种预期的运行和事故工况下,都能可靠的动作和运行,履行其规定的安全功能。设备鉴定包括设备的抗震鉴定和设备的环境鉴定,只有经过设备鉴定合格的设备,才能用于核设施。反之,没有通过设备鉴定并证明合格的设备不能出厂,也不能进行现场安装。因此设备鉴定是常规设备过渡到核安全级设备(简称核级设备)的重要一环。,二、安全分级,核电站的安全是通过其组成系统、设备和部件的安全性来实现的。所谓核电站的安全功能主要包括:反应堆停堆并维持反应堆在安全停堆状态;余热导出;放射性物质
2、的封存和限制向环境排放,并控制在规定限值内。核电站的各个系统、设备和部件根据它们所执行的安全功能进行安全分级,并对不同等级设备和部件确定抗震分类和规范级别,并规定出在设计、制造和检验等方面的不同要求。,2.1 机械设备安全分级,承压设备:构成压力边界和执行安全功能的流体系统的机械设备(包括管道)分为三个安全等级,其余为非安全级(NC)。安全1级适用于构成反应堆冷却剂压力边界的设备,其在正常运行期间失效引起的反应堆冷却剂流失超过了正常补水能力的补水量。安全2级适用于非安全1级的反应堆冷却剂压力边界的承压设备和部件,或者用于在发生失水事故时为封闭放射性物质所需的系统设备和部件。安全3级适用于对安全
3、有重要作用的设备和部件,这些部件损坏后不会直接引起放射性后果;或者对于其故障后会导致正常存放衰变的放射性气体释放的那些设备和部件。非安全级适用于安全1、2、3级设备以外的设备。,非承压机械设备:具有符合节所规定的安全功能的非承压机械设备被确定为与安全有关级(用LS表示)。其它与安全无关的机械设备,用NC表示。与安全有关的设备主要包括:乏燃料装卸和贮存系统中的起重运输设备;与安全有关的承压设备的支撑装置以及反应堆堆内构件;一些通风系统,这些系统的设备使用专用的设计、制 造、试验、检查和验收规则。,2.2电气设备,如果电气部件和设备在事故后用来向保护公众安全的系统供电或构成该系统的一部分,则这些设
4、备和部件应属于1E级。,2.3构建物和建筑物,凡支承或包容安全级设备并提供一个放射性生物屏蔽或可把放射性产物封存的建筑物或构筑物称为LS级土建结构。,三、抗震分类,凡要求保证上述三项安全功能的设备属于抗震1类设备,抗震1类设备能承受安全停堆地震SSE(即极限安全地震SL2)载荷。安全1、2、3级和LS级机械设备以及1E级电气设备均属于抗震1类。其它设备如某些废物处理系统和消防系统设备属于非安全级系统,但要求在地震下履行其功能为抗震1类,近来对消防系统的要求提高了。其余设备为非抗震1类。,抗震1类设备,应能承受SL1和SL2载荷,并保证在地震发生时或(和)地震后均能履行其安全功能。这些安全功能是
5、:维持和保证反应堆冷却剂系统承压边界的完整性;使反应堆安全停堆并保持在安全停堆状态;停堆后(包括事故停堆后)堆芯余热排出;能减少和防止放射性物质向环境释放,并保证不超过规定限值。,对于抗震1类机械设备又可细分为三级:(1)1I级,在安全停堆地震下仅要求保证其完整性的设备,计算中对4类工况下可采用D级准则校核;(2)1F级,在安全停堆地震下不但保持其完整性还应保持功能性要求的设备。如工程安全设施的非能动部件及其支承系统,包括管道,对4类工况采用C级准则校核,以限制其变形;(3)1A级,它是对能动部件而言,所谓能动设备是一种包含有执行其安全功能所必需的运动部件或机构的设备,如泵、阀门等。在安全停堆
6、地震下不仅要保证其结构完整性,而且要保持其可运行性,即保证其运动部件或机构有良好的运行性能。计算时对4类工况采用B级准则校核。需要指出,这是一种设计措施,美国和加拿大采用C级应力限制进行校核。,四、核电厂抗震鉴定的重要意义,核电厂的抗震具有特殊的重要性。由于核电厂中许多设备和部件中聚集着大量的放射性物质,一旦遭到地震破坏可能使放射性物质外逸,从而对公众的生命和健康造成危害,这是核设施与常规工业设施的重要区别之一。如果反应堆系统遭受破坏,可能造成核事故,影响的范围更大。值得指出的是,地震扰动具有同时破坏核电厂的冗余部件的潜力。地震破坏的这一特点,使核电厂设计中的多重性防护准则受到破坏,这就是说地
7、震可能引起核电厂的共模失效(common mode failure)。,因此在核电厂的设计和建造中必须重视抗震鉴定工作。美国规定任何核电厂都要考虑抗地震问题,即使是地震危险性很小的地区也至少应该按0.1g进行设计。世界上主要核国家先后建立了一整套有关抗震鉴定的法规、导则和规范,从而为核电厂的抗震安全性提供了保证。如核电厂采用的是HAF0102和IAEA安全导则NO.NS-G-1.6“核动力厂抗震设计与鉴定”,对核动力厂以外的核设施,如研究堆,前处理厂,后处理厂则采用TECDOC1347“除核动力厂之外的其它核设施设计中对外部事件(以地震为主)的考虑”。,四、核电厂抗震鉴定的重要意义,五、核电厂
8、抗震鉴定的发展和现状,地震工程是一门范畴十分宽广的几个方面相互关联的学科。在国际反应堆结构力学领域内,核电厂地震反应分析占有显著地位。在60年代核电厂的开创阶段中,抗震问题一开始就受到了应有重视。当时抗震工作基本上沿用了一般的建筑抗震规范,停留在静力分析阶段。在60年代中期开始采用反应谱进行动力分析,但仅限于1级部件,总的抗震费用不到总投资的1%。值得提到的是我国在60年代初期已对反应堆的抗震开展了设计研究工作。70年代核电厂的抗震工作逐渐走上正轨。美国核管会提出了一系列的导则,如RG1.60反应谱的采用,在设备设计中楼层反应谱的应用,引进有限元方法使动力分析得到广泛的应用。这一阶段抗震工作已
9、形成了一整套的规范导则,许多方法和规范导则一值沿用至今。,五、核电厂抗震鉴定的发展和现状(续),80年代以来提高了对管道的抗震要求,并对分析程序和支承设计要求更加严格,设备的抗震鉴定费用有的已经超过总投资的10%。由于地震运动的复杂性,有许多方面还未被人们认识,因此许多方面存在着不确定性,从而在核电厂抗震设计中显得过于保守。在管道分析中,大量实践证明美国RG1.61阻尼比过于保守,采用N411的阻尼比代替RG1.61阻尼比可大大降低管道的地震响应,减少大量管支承与阻尼器,具有重大经济意义。80年代初期我国秦山一期30万千瓦核电厂开始建设,根据国家核安全局的要求,核安全级设备的抗震鉴定工作也随着
10、开展,至今全国已建立和改造5个抗震试验台架,投资上千万元,对300余台核安全级典型设备进行了抗震试验。另外对所有抗震I类设备进行了抗震分析,特别是控制驱动线的抗震鉴定试验已达到世界领先水平。,五、核电厂抗震鉴定的发展和现状(续),在试验研究方面,目前世界上最大的试验台是日本的多度津地震试验台,台面尺寸15m15m,载重1000t。我国目前已有五座可用人工时程曲线输入的地震试验台,分别是北京水科院(台面尺寸5m5m载重20t),上海同济大学(台面尺寸4m4m,载重15t),南京河海大学(台面尺寸2.8m2m,载重6t),成都中国核动力院(台面尺寸6m6m,载重20t),哈尔滨工程力学所(台面尺寸
11、5m5m,载重30T)和一座成都核动力院的单频振动输入地震试验台(1m1.5m,最大加速度75g,载重2t,专门用于阀门抗震试验)。,六、核电厂抗震设计的法规和导则,我国正在逐步建立一套完整的核安全法规。HAF0100核电厂厂址选择安全规定对核电厂抗震设计作了原则规定;HAF0101核电厂厂址选择的地震及其有关问题以及HAF0102核电厂的地震分析及试验两个安全导则对HAF0100规定进行了说明和补充。HAF0102导则叙述了对核电厂结构、系统和部件进行抗震分析及抗震鉴定试验的程序,以及对核电厂各物项的抗震分类、荷载组合、地震分析的方法及许用限值等。这些导则基本上是IAEA的导则,比较原则,因
12、此在使用时有必要参照美国核管会的管理导则和标准审查大纲(SRP)3.7节的规定。我国现在已制定了抗震鉴定的法规,抗震分析可采用“核电厂抗震设计规范”(GB50267-97),抗震试验可采用“核设备抗震鉴定试验指南”(HAF-J0053)。,七、地震动基本描述,在进行抗震设计时,有必要先介绍一下有关地震的基本概念。地震是一种自然现象。每年全世界约发生地震五百万次,有感地震约占1%左右,造成灾害的平均每年十几次。地震的成因可分为构造地震、火山地震、塌陷地震等。另外,水库也能诱发地震,核爆炸可能在场地激发地震,而造成震害的都是构造地震。对地震的机理,有“断层说”、“板块构造学说”、“断块学说”、“岩
13、浆说”、“相变说”等。,七、地震动基本描述,发生地震的地方叫震源。震源在地表的投影叫震中。如图1所示。,七、地震动基本描述(续),表示一次地震大小的指标是震级M。震级与地震波能量存在如下关系:logE=11.8+1.5M E为地震波能量,单位为尔格;M为震级。所以震级(Magnitude)的大小反映的是一次地震释放的能量的大小。地震烈度(Earthquake intensity)则是表示某一地区地面和各种建筑物受到一次地震影响强弱的指标。一般分为12度,烈度越高,破坏越严重。某地的地震烈度与震源的深度和该地与震中的距离均有关。,七、地震动基本描述(续),震中烈度与地震震级大致存在如下表的对应关
14、系,一次地震可以持续1530秒,地面加速度为0.10.6g范围,强震时间为10秒左右,频带范围在0.0133Hz。,七、地震动基本描述(续),实际上烈度不仅与震级有关,还与震源深度,距离震中的远近以及地震波通过的介质条件(如岩石性质,岩层构造等)等多种因素有关,震中烈度与震级、震源深度关系如下:,八、设计地震动分类,设计地震动分为两类:(1)运行安全地震动,代号SL1,也称OBE(Operating Basis Earthquake)。为核电厂运行期间可能遭受的最大地震动。发生的概率为500年一遇的地震动,即10-2概率的地震动。(2)极限安全地震动,代号SL2,也称SSE(Safe Shut
15、down Earthquake)。为核电厂厂区可能遭受的不低于年超越概率(一年内地震动超过给定值的概率)为10-4的最大地震动,一般按当地历史发生过的最大地震再加上适当安全裕度而定出的假想地震。即最大潜在地震动。一般取OBE1/2SSE。,八、设计地震动分类,应包括:两个水平、一个竖向的加速度峰值、设计反应谱和一组加速度时程。竖向加速度峰值取为水平值的2/3。根据对地震资料的收集,调查和分析,分别用地震构造法、最大历史地震法和综合概率法估算,取三者中的最大值为SSE值。而且,地面水平加速度峰值不得低于0.15g。,九、楼层反应谱,首先介绍“振子”的概念:对于单质点的振动模型可用“振子”模型表示
16、,见图2,即由质量M,刚度K和阻尼关系表示:,九、楼层反应谱(续),在外力F作用下的振子的运动微分方程为:当外力F=0,振子作自由振动,如果阻尼=0,振子的自由振动周期可以求得 Hz可见振子自由振动的固有频率仅决定于系统的本身的物理性质:质量m和刚度k。而与由初始条件决定的振幅无关,只要系统的m和刚度k一旦确定,固有频率就是一定值。,九、楼层反应谱(续),再介绍楼层反应谱的概念:当一结构受到地震作用时,结构上各点的位移、速度和加速度(统称为反应)随时间变化,但从设计观点来说,重要的是反应的最大值。该反应是阻尼和固有频率的函数,这就是反应谱。图3形象地说明了反应谱的概念。由图3可见,在一个振动台
17、上,并排放置一组阻尼比为常数,而固有周期(频率的倒数)不同的振子(即单质点系)。当输入一地震加速度时,各质点随振动台摇动,表现出对输入加速度的反应。将各质点的加速度反应测出来,并取其最大值,绘出各振子反应的最大值与固有频率之间的函数关系,就得出了反应谱图。反应谱就是一组不同自振频率(周期)的单自由度振子对地面(楼面)运动的最大反应的反应曲线。响应谱表示了加速度与频率(周期的倒数)之间的关系。对于不同阻尼比,可得到不同的反应谱图,见图4。由图4可见,阻尼比越小,加速度反应越大;固有频率f越小(周期T越大),加速度反应越大。,九、楼层反应谱(续),图3 地震响应谱的生成,九、楼层反应谱(续),图4
18、 地震响应谱,九、楼层反应谱(续),反应谱由一系列不同自振(固有)周期的振子构成:为阻尼 为刚度 为外力(地面激励)为相对基础的运动的相对位移 为绝对位移 Z为基础(或地面)的绝对位移 当结构固有频率很高时(大于33Hz),相对于基础的位移 与基础同步。由图可见:自振周期短的振子振动得快。一般说,自振周期小,自振频率高,则加速度振幅小,当固有频率大于截止频率f1时,反应加速度与地面激励加速度一致,这时称为零周期加速度(ZPA),该系统称之为刚性系统。,九、楼层反应谱(续),反应谱具有重要的工程意义,从反应谱上读到的数值就是结构物上的最大加速度,它与结构物质量的乘积就是结构所受的最大地震力。虽然
19、反应谱本来是关于单质点系的概念,通过振型迭加可以应用于复杂的多质点系统。核电厂抗震设计常采用标准反应谱,所谓“标准反应谱”是包络不同大小和距离的地震影响的反应谱,它可以用在不同的厂址上。标准反应谱常使用美国的NRC RG1.60反应谱。它是根据大量的地震记录,通过统计分析得到的。即收集美国太平洋沿岸30多条实际强震记录并采用统计方法绘制成的。尽管有许多人认为该谱比较保守。图5为美国1940年的EL CENTRO地震波记录。两个水平方向,一个垂直方向。图6为计算机生成的人工模拟加速度曲线。,九、楼层反应谱(续),图5 美国EL CENTRO地震波记录,九、楼层反应谱(续),图6 人工模拟加速度时
20、程曲线,九、设计加速度时程,一次地震动随时间变化的全部过程称为时程(time history),常用加速度时程表示。加速度时程可采用三角级数叠加法生成,也可采用实际地震加速度记录经修改生成。采用三角级数叠加法时,加速度时程可表达为一系列不同振幅,频率与相角的正弦函数之和。即 式中,A(t)为加速度 B(t)为包络函数 Ci为振幅 i为圆频率 i为相位角,九、设计加速度时程(续),可根据相位角在02范围内随机均匀分布的假定,用随机数可生成随机相位角。在满足时程包络函数条件下,提高各谐波的幅值,使设计加速度时程对应的反应谱能包络给定阻尼比的要求反应谱。已有专用的计算机程序,可根据已知的要求反应谱,
21、经反复迭代计算,求出对应的人工模拟时程曲线。作设备的抗震鉴定试验时,输入的人工加速度时程应满足HAF-J0053的8条要求。,十、楼层反应谱的生成,设备管道一般安装在厂房的不同楼层上,楼层谱是由于地震激励施加到结构上,得到的安装在楼层上的一组不同自振频率(周期)的单自由度振子对地面(楼面)运动的最大反应的反应曲线,图7示出了基岩地标准RG1.60谱与楼层响应谱的关系。由厂址分析得到厂址基岩处的地震加速度,如0.2g,由RG1.60标准谱(归一谱)得到基岩处的反应谱。将建筑物厂房、土壤和基岩看成一个结构体系,先将标准反应谱转换成标准时程,通过结构体系的放大,计算得到楼层的时程,再由楼层时程转化到
22、楼层反应谱。由于厂房对输入地震有放大和滤波作用,楼层反应谱一般变窄变高,其窄高处的频率与厂房的主频相对应。用楼层反应谱可对安装在楼层上的设备管道进行抗震分析或抗震试验。,十、楼层反应谱的生成(续),图7 标准反应谱与楼层反应谱的关系,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,设备的抗震鉴定可以采用分析、试验或经验反馈方法进行。对于抗震鉴定,其鉴定方法的原则是:对于能动(即通过机械运动实现其安全功能)的安全级机械设备和IE级电气设备,应采用试验方法(当机械设备尺寸太大或结构相当复杂时,可以不通过试验,而通过分析法进行抗震鉴定。但数学模型必须能精确的描述该设备,并通过核安全审查)。设备的抗震鉴定试验在原型
23、样机上进行。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,抗震鉴定可以采用分析法、试验法,经验反馈法和经验类比法。1分析法仅限于要求结构完整性,而不要求功能动作性的物项,或尺寸太大而不宜作试验的物项。当计算模型合理而反映实际,计算程序作过鉴定,并被安全当局认可,计算结果合理可信时,才可使用。2试验法主要用于能动的机械设备和IE级仪控电气设备中。3经验反馈法:是采用过去历史地震留下的设备为资料(特别是强震资料),了解等同被鉴定物项(同类型结构,同样支承形式)在地震中的表现,类比的设备的安装点的地震运动(或激振水平)应是相当的。4间接类比法:被鉴定物项与参照物项在结构和类型上是相似的,支承也是相似的,且有大
24、致相同的物理特性(自振频率相同),如果参照物鉴定物项的地震输入能包络被鉴定的地震输入,就可以通过鉴定。如果被鉴定物项与参照物项的结构不同,而地震输入不一样,则如果被鉴定物项更刚(主频自振频率更高),则谱反应更小,可以认为被鉴定物项通过鉴定。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,当分析法可以合理又可信地说明设备在地震作用时和作用后的完整性和功能性时,才能采用分析方法。采用分析法的基本要求是:设备能够合理地简化成数学模型,并准确地反映其动力特性:自然频率、阻尼、振型、应力、变形等。其动力分析结果应与可接受的判据进行比较,并应在判据要求的范围内。所采用的计算机程序应有其适用性和有效性的证明;说明其适用
25、范围和局限性,并证明本设备的抗震分析在其适用范围之内,另外通过以下方法得到的考题求解结果与经典的解析解比较是一致的,或在规定的误差范围以内:与国际公认的通用程序的解比较,与已作的实验数据比较,与规定的基准问题的解的比较。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,分析计算,首先通过频率分析得到设备的各阶固有频率,如果设备的最低自然频率大于33Hz,则可采用静力法分析;如果小于33Hz,则必须采用动力法。在动力法中,如果采用反应谱方法确定动力响应,对于各模态反应的组合和对于地震运动三个分量的组合均可采用SRSS,10%,CQC等方法。地震响应分析的结果应与设备承受其它载荷引起的效应结果相组合,在GB50
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