Расчёт прочности и сейсмостойкости вентиляционной установки для атомной станции в CAE Fidesys
Компания ООО «ИскраТех» завершила работу по расчётному обоснованию прочности и сейсмостойкости приточной установки, предназначенной для эксплуатации в составе энергоблоков №1–4 АЭС «Аккую». Оборудование относится ко II категории сейсмостойкости и должно сохранять работоспособность при сейсмических воздействиях проектного землетрясения (ПЗ) интенсивностью 8 баллов по шкале MSK-64.
Объект исследования и особенности проекта
Установка предназначена для поддержания заданного температурного режима в помещениях зоны контролируемого доступа зданий АЭС.
Конструктивно приточная установка представляет собой совокупность функциональных блоков, включающих:
- Вставки гибкие;
- Вертикальный внешний клапан запорный;
- Панельный фильтр;
- Воздухонагреватель и воздухоохладитель жидкостного типа (включая сепаратор);
- Вентилятор с электродвигателем;
- Опорную раму.
Ключевой особенностью данного проекта стала высотная отметка установки оборудования — до +23,4 м, что существенно увеличивает сейсмические нагрузки по сравнению с типовыми случаями размещения на нижних отметках. Кроме того, расчёт проводился при относительном демпфировании 7%, что также учитывалось при задании спектров ответа.
Нормативная база и методология
Расчётное обоснование выполнялось в соответствии с требованиями:
- НП-031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций»;
- ПНАЭ Г-7-002-86 «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок»;
Для определения динамического отклика конструкции применялся линейно-спектральный метод, рекомендованный нормативными документами для задач сейсмостойкости оборудования АЭС. Расчёты выполнены в программном комплексе CAE Fidesys версии 8.2.
Реализация проекта. Расчёт прочности и сейсмостойкости в Fidesys
На рисунке 1 представлена переданная заказчиком геометрическая модель вентиляционной установки.
Исходная геометрическая модель установки была дискретизирована в смешанной балочно-оболочечной постановке. Такой выбор обусловлен необходимостью адекватного отображения работы тонкостенных корпусных элементов и одновременно силовых каркасных конструкций.
Принятые допущения при идеализации конструкции:
- Панели корпуса, несущие внутреннее оборудование, моделировались оболочечными элементами;
- Остальные панели и элементы внутреннего оборудования учитывались как точечные массы;
- Пружинные антивибрационные опоры электродвигателя заменялись дискретными элементами с линейной жёсткостью;
- Резьбовые соединения (болты, анкеры) задавались по диаметру впадин резьбы;
- Трубопроводы рабочей среды учитывались приложением нагрузок к патрубкам воздухонагревателей и воздухоохладителей.
Нагрузки
Сейсмические воздействия задавались в виде обобщённых спектров ответа по трём осям (X, Y, Z), соответствующих 8 баллам по MSK-64 для высотной отметки +23,4 м. Дополнительно к патрубкам теплообменного оборудования прикладывались усилия от присоединяемых трубопроводов для режима НЭ+ПЗ (нарушение нормальной эксплуатации плюс проектное землетрясение).
Критерии прочности
Допускаемые напряжения при сейсмических нагрузках для сочетания нагрузок НЭ + ПЗ рассчитаны по нормам НП−031−01. Значения для соответствующих расчетных групп напряжений приведены в таблице 1.
| Элементы установки | Расчетные группы категорий напряжений | Допускаемое напряжение | Значение допускаемого напряжения, МПа |
|---|---|---|---|
| Листовые элементы | (σНЭ+ПЗ)1 | 1,5[σ] | 155,8 |
| Листовые элементы | (σНЭ+ПЗ)2 | 1,9[σ] | 197,3 |
| Листовые элементы | (τНЭ+ПЗ)s | 0,8[σ] | 83,1 |
| Рамы секций | (σНЭ+ПЗ)1 | 1,5[σ] | 190,4 |
| Рамы секций | (σНЭ+ПЗ)2 | 1,9[σ] | 241,1 |
| Рамы секций | (τНЭ+ПЗ)s | 0,8[σ] | 101,5 |
| Патрубки воздухонагревателя и воздухоохладителя | (σНЭ+ПЗ)1 | 1,5[σ] | 196,0 |
| Патрубки воздухонагревателя и воздухоохладителя | (σНЭ+ПЗ)2 | 1,9[σ] | 248,2 |
| Патрубки воздухонагревателя и воздухоохладителя | (τНЭ+ПЗ)s | 0,8[σ] | 104,5 |
| Болты М6, М8, М10 | (σНЭ+ПЗ)mw | 1,5[σ]w | 480,0 |
| Болты М6, М8, М10 | (σНЭ+ПЗ)4w | 2,3[σ]w | 736,0 |
| Болты М6, М8, М10 | (τНЭ+ПЗ)s | 0,8[σ]w | 256,0 |
| Болты креплений рамы секций М6 | (σНЭ+ПЗ)mw | 1,5[σ]w | 705,0 |
| Болты креплений рамы секций М6 | (σНЭ+ПЗ)4w | 2,3[σ]w | 1081 |
| Болты креплений рамы секций М6 | (τНЭ+ПЗ)s | 0,8[σ]w | 376,0 |
| Анкера М10х80 | (σНЭ+ПЗ)mw | 1,5[σ]w | 225,0 |
| Анкера М10х80 | (σНЭ+ПЗ)4w | 2,3[σ]w | 345,0 |
| Анкера М10х80 | (τНЭ+ПЗ)s | 0,8[σ]w | 120,0 |
Расчетный анализ динамических характеристик изделия
Модальный анализ позволил определить собственные частоты и формы колебаний установки. В расчёте было определено 200 собственных форм, что обеспечило покрытие рабочего частотного диапазона до 50 Гц — максимальной частоты исходного спектра ответа.
Низшая частота собственных колебаний составила 4,03 Гц и соответствует колебаниям платформы электродвигателя на пружинных опорах. Первые пять форм колебаний представлены в таблице:
| Номер формы собственной частоты | Частота, Гц |
|---|---|
| 1 | 4,03 |
| 2 | 6,43 |
| 3 | 6,99 |
| 4 | 8,30 |
| 5 | 9,78 |
Результаты проекта. Расчёт прочности и сейсмостойкости в Fidesys
В качестве критериев прочности рассматривались:
- Целостность корпусных элементов, опорной рамы и рамы электродвигателя с вентилятором;
- Прочность крепления корпусных элементов к опорной раме;
- Несущая способность анкерных креплений.
Для каждого элемента конструкции определялись три расчётные группы напряжений: общие мембранные напряжения, мембранные плюс общие изгибные напряжения и касательные напряжения — все с учётом сейсмических воздействий ПЗ.
Поле эквивалентных напряжений в материале элементов промышленного кондиционера (σs)эквПЗ , МПа, в сочетании нагрузок НЭ+ПЗ показано на рисунках 9 и 10.
В местах наибольших эквивалентных напряжений получены значения в группах напряжений (σsНЭ+ПЗ)1, (σsНЭ+ПЗ)2, (τsНЭ+ПЗ)s. Результаты представлены в таблице 3.
| Элементы установки | Значения в расчетных группах напряжений, МПа (σsНЭ+ПЗ)1 | Значения в расчетных группах напряжений, МПа (σsНЭ+ПЗ)2 | Значения в расчетных группах напряжений, МПа (τsНЭ+ПЗ)s |
| Листовые элементы | 121,3 | 162,0 | 73,2 |
| Рамы секций | 108,3 | 190,0 | 66,7 |
| Патрубки воздухонагревателя и воздухоохладителя | 8,7 | 81,3 | 5,3 |
| Болты М6, М8, М10 | 42,8 | 694,4 | 23,7 |
| Болты креплений рамы секций М6 | 29,0 | 116,8 | 18,2 |
| Анкера М10х80 | 17,6 | 124,9 | 8,6 |
Анализ показывает, что расчётные напряжения во всех элементах установки не превышают нормативных допускаемых значений. Наибольшая загрузка наблюдается в рамах секций и болтовых соединениях, однако запас прочности сохраняется. Патрубки теплообменников и анкерные крепления работают с существенным запасом относительно допускаемых нагрузок.
Заключение. Расчёт прочности и сейсмостойкости в Fidesys
Выполненный расчёт подтвердил, что приточная установка для АЭС «Аккую» удовлетворяет требованиям сейсмостойкости, установленным нормативными документами НП-031-01 и ПНАЭ Г-7-002-86. Конструкция сохраняет прочность, целостность и работоспособность при сочетаниях нагрузок нормальной эксплуатации и проектного землетрясения.
Применение CAE Fidesys позволило выполнить полный цикл расчётного обоснования — от построения детализированной конечно-элементной модели до спектрального анализа и категорирования напряжений в соответствии с атомными нормами, обеспечив заказчику документально подтверждённое соответствие оборудования требованиям сейсмической безопасности.
Список литературы:
- НП-031-01 Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций;
- ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок;
- ГОСТ 7350–77 Прокат из коррозионно-стойких сталей. Технические условия;
- ГОСТ ISO 3506-1–2014 Механические свойства коррозионно-стойких нержавеющих крепежных изделий. Часть 1. Болты, винты и шпильки.
Получить консультацию
Заполните форму прямо сейчас, и мы свяжемся с Вами!
* Обязательные поля для заполнения
