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換料機(jī)是壓水堆核電站裝卸核燃料的關(guān)鍵設(shè)備之一，其基本任務(wù)是在安全殼內(nèi)將新燃料組件裝入堆芯的指定位置，將乏燃料組件卸出堆芯運(yùn)送到裝運(yùn)系統(tǒng)的預(yù)定位置、補(bǔ)充新的燃料構(gòu)件進(jìn)行燃料循環(huán)、排空堆芯中的燃料組件并進(jìn)行再裝料。針對(duì)換料機(jī)在服役期間的工作狀況，需要對(duì)其在正常運(yùn)行和地震工況下進(jìn)行動(dòng)力分析計(jì)算，并依此進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析。
對(duì)換料機(jī)安全評(píng)定中，主要考慮主要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)定、螺栓和焊縫的強(qiáng)度評(píng)定、輔吊支腿的屈曲安全評(píng)定；此外，作為換料機(jī)的主要組件，伸縮套筒端部的指形鉤具有抓運(yùn)燃料組件的重要作用，其可靠性對(duì)保障換料機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的作用。因此，還需對(duì)指形鉤進(jìn)行詳細(xì)的局部強(qiáng)度分析。在目前我國(guó)核電結(jié)構(gòu)評(píng)定主要參照ASME規(guī)范和RCC-M規(guī)范，本文依據(jù)RCC-M規(guī)范進(jìn)行換料機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算和評(píng)定，輔吊部分則參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/ T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》。
地震工況主要包括2種，即異常工況LOBE)和事故工況(CSSE。頻譜分析法在設(shè)備抗地震分析中被廣泛采用，可確定結(jié)構(gòu)上各危險(xiǎn)點(diǎn)在整個(gè)地震歷程中最大的應(yīng)力和內(nèi)力，對(duì)于3個(gè)不同方向輸入的地震響應(yīng)譜，采用SRSS C平方和開(kāi)平方根方法進(jìn)行組合，并在此基礎(chǔ)上考慮自重的最不利影響進(jìn)行工況組合。此外，針對(duì)伸縮套筒在水中運(yùn)行的情況，需要考慮其在啟動(dòng)、制動(dòng)工況下的水阻力。在地震工況下，水對(duì)套筒的作用可采用附加質(zhì)量的方法進(jìn)行考慮。伸縮套筒的水阻力可采用Morison方程進(jìn)行計(jì)算，其在地震工況下的附加質(zhì)量則可采用Morison方程和Wester-gaard理論進(jìn)行計(jì)算。本文均采用Morison方程對(duì)伸縮套筒的水阻力和附加質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。
本文針對(duì)中科華核電技術(shù)研究院自行設(shè)計(jì)的1000 MW大型壓水堆核電就換料機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模，在正常運(yùn)行、異常工況(OBE、事故工況CSSE )3種工況下進(jìn)行了動(dòng)力分析計(jì)算，并依據(jù)RCC-M規(guī)范進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定。
換料機(jī)主要由移動(dòng)式橋架大車、運(yùn)行小車、輔助塔吊和塔座式帶抓具的伸縮套筒組成，如圖所示。換料機(jī)安裝在反應(yīng)堆RX廠房?jī)?nèi)，在反應(yīng)堆換料水池上方進(jìn)行水下的燃料組件操作，其有3種運(yùn)動(dòng)：大車縱向運(yùn)動(dòng)、小車橫向運(yùn)動(dòng)和主提升機(jī)構(gòu)升降運(yùn)動(dòng)。對(duì)燃料組件的裝入、卸出和倒換操作需在12 m以下的水下進(jìn)行。采用ANSYS對(duì)換料機(jī)進(jìn)行了有限元建模，如圖所示。設(shè)定X方向?yàn)榇筌囘\(yùn)行方向，Y方向?yàn)樾≤囘\(yùn)行方向，Z方向?yàn)樨Q直方向。原點(diǎn)設(shè)在水平面，大車橋架中心處。計(jì)算模型主要采用梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為25221 kg，燃料組件650 kg。對(duì)換料機(jī)在正常工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算可將其轉(zhuǎn)化為靜力分析，將啟動(dòng)或制動(dòng)加速度引起的慣性力、重力和浮力施加到結(jié)構(gòu)上。對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)計(jì)算采用頻譜分析法，地震荷載施加在基礎(chǔ)點(diǎn)，即大車車輪處。
對(duì)換料機(jī)進(jìn)行動(dòng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定主要考慮其在正常運(yùn)行和地震條件下的安全性。對(duì)于正常運(yùn)行工況分別考慮其在制動(dòng)和啟動(dòng)條件下的強(qiáng)度條件。由于換料機(jī)的伸縮套筒及燃料組件均是在水下運(yùn)行，因此在本項(xiàng)目中將考慮換料機(jī)在運(yùn)行中水的阻力，以及地震條件下水的附加質(zhì)量。在正常工況下，大車的啟動(dòng)加速度as=1.70 m/s2，制動(dòng)加速度ab = 1.96 m/ s2,同時(shí)正常運(yùn)行速度v= 15.0 m/s，主提升向最大剎車加速度a=481 m/s2。當(dāng)小車處于大車的端部、1/4處和中部時(shí)，對(duì)換料機(jī)的強(qiáng)度分別進(jìn)行了計(jì)算分析。本文以最危險(xiǎn)情況，即小車處于大車中部時(shí)的情況為例進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。針對(duì)換料機(jī)在正常運(yùn)行中的大車啟動(dòng)和制動(dòng)工況，以及OBE，SSE 2種不同地震工況條件。
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