1 引言
中国科学院战略性先导专项TMSR（Thorium-based Molten Salt Reactor，钍基熔盐堆）是当今世界第四代先进反应堆的六个候选堆型之一，具有中子经济性好、放射性废物少、功率密度高和安全性较高等优点。熔盐泵是回路和反应堆核岛的关键性动力旋转设备，在超长服役的过程中，它必须能承受各种极端的事故工况。熔盐泵的结构力学性能不仅影响着自身的安全运行，同时也关系着整个反应堆回路系统乃至反应堆的正常运行。根据ASME规范和我国的核安全法规，熔盐泵除了要满足其自身的功能要求，还要求能承受一定的地震载荷。具体的要求是熔盐泵在承受OBE（运行基准地震）扰动周期内能继续运转而不发生机械损坏，同时也不会引起其他设备的损坏，在SSE（安全停堆地震）下能保持承压边界的完整性。
本文以现有TMSR回路用熔盐泵为基础，对含转子部件在内的熔盐泵进行三维有限元建模，对熔盐泵的固有频率和在两类地震工况下的抗震性能进行了相关研究。本文的研究成果为下一步核级泵的抗震设计和安全评估提供参考依据。
2 有限元模型
2.1 三维实体模型的建立
由于熔盐泵模型较为复杂，故一般三维实体的建模工作均不考虑直接在有限元软件中完成，而是借助建模功能更为强大的三维造型软件，常用的三维造型软件有NX、Pro/Engineer、Solid Edge、Solidworks等。TMSR工程回路用熔盐泵初始的三维实体软件由回路设计部门在Solid Edge中完成，其几何模型如图1所示。熔盐泵模型由泵罐、连接架、转子组件、密封组件、叶轮、泵体和液下连接架等构成，其中泵转子组件包含两对滚珠轴承。电机模型包含电机和电机座。
图1 熔盐泵几何模型
2.2 材料特性
TMSR当前工程回路熔盐泵的运行介质为FLiNaK熔盐，由于熔盐介质的特殊性，熔盐泵的主体结构均采用能耐熔盐腐蚀的C276合金，电机座和电机由于并不与熔盐相接触，使用材料为Incnel 316。此外，TMSR设计回路系统的运行温度在650℃以上，随着温度升高，材料的力学特性也会随之变化，由于本文的计算并不涉及到热瞬态计算，故仅选取650℃下C276和Incnel 316的力学参数进行后续计算，两种材料在650℃运行温度下的力学特性参数如表1所示。
表1 材料在650℃下的力学特性参数
2.3 有限元模型及边界条件
在泵机组的整体计算中，一般并不对完整的轴承进行建模和分析，而是采取等效的方式模拟滚珠对轴承座和轴套的作用。本文对转子部件进行简化，两对滚珠轴承均采用SKF轴承公司等效线性化处理后的刚度进行计算，线性化刚度参数如表2所示。
表2 熔盐泵轴承刚度
轴套与轴承座之间的相互作用由Ansys单元库中Combin14弹簧单元模拟，在每对轴套与轴承座圆环上各创建四个Combin14单元，每个单元的刚度为轴承线性化刚度的1/2。同时为了有效控制计算的规模，叶片等非关键部件以附加质量单元Mass21的形式添加到整个有限元模型中。此外，为了更进一步减小计算规模，泵与电机支座、电机支座与电机均采用刚性连接。最终熔盐泵在Workbench平台中采用Solid187单元进行实体部件的网格划分，整个模型的节点数为588374，单元数为327585，其有限元模型如图2所示。
图2 熔盐泵有限元模型
由于熔盐泵的运行温度在650℃左右，高温环境下熔盐泵内部组件的热匹配、热变形释放和管道热位移处理等均是一个亟待解决的问题，这其中也涉及到泵支撑平台的优化改进。也正是基于此原因，本文并没有将泵支撑平台作为有限元模型建立，仅对熔盐泵的外部支撑做等效简化处理，即将泵罐法兰与支撑平台螺栓连接处的自由度全部约束。
3 模态分析
本文采用Workbench中默认的PCG LANCZOS进行模态提取。计算得到的一阶频率为18.7Hz，图3和图4分别为熔盐泵机组和内部转子组件的一阶振型。从图中可以看出一阶振型主要为水平X方向摆动，摆动幅度最大的位置在转子组件的叶轮处，且熔盐泵机组整体均参与了一阶振型。由此可知，熔盐泵机组整体的一阶频率和转子组件的一阶频率相近。图5和图6分别为熔盐泵机组和转子组件的二阶振型，主要体现为转子组件水平Y方向的摆动。从图中可见熔盐泵除转子以外的部件未参与二阶振型。泵机组第三阶和第四阶的频率和振型如表3所示，从表中我们可以看出熔盐泵第三阶振型仍主要为泵转子组件的振动，直到第四阶才同时出现泵机组整体和转子组件在水平Y方向的摆动，其中最大振动幅度出现在电机位置。根据前四阶模态的特征可以看出熔盐泵机组在水平X和Y两个方向的刚度存在一定的差异性，这与实际的结构特征也相符合。
图3 熔盐泵机组一阶振型
图4 转子组件一阶振型
图5 熔盐泵机组二阶振型
图6 转子组件二阶振型
熔盐泵整体前十阶频率和对应的振型特征如表3所示。总体来说，在频率较低的区间主要为泵转子组件与电机的摆动，在频率较高的区间主要为泵轴与电机的弯曲振动。值得注意的是，泵机组仍然是以泵转子的振动为主，水平摆动幅度最大值多出现于叶轮，弯曲振动幅度最大值多为泵主轴。
表3 熔盐泵前十阶模态及振型特征
4 抗震分析
4.1 抗震分析方法
抗震分析的主要目的是验证熔盐泵在OBE和SSE两类地震工况后，是否能保证其结构完整性和可运行性。常用的抗震分析方法有等效静力法、反应谱法和时程分析法。
等效静力分析方法要求结构的一阶频率大于33Hz，而反应谱法和时程分析法则对结构的频率无计算方法上的要求。其中反应谱法既考虑了结构动力特性和地震动特性之间的关系，又充分运用了静力理论，使得复杂机构地震作用下的响应计算变得简单可行，但是其计算不能包含非线性因素。而时程分析法则是真正意义上的动力分析方法，可充分考虑地震波的特征因素，如振幅、持续时间等，且可以充分考虑结构的非线性因素，但是由于计算量庞大，一般情况下均是作为反应谱分析方法的补充计算。结合前文的计算结果，熔盐泵的一阶频率为18.7Hz，小于33Hz，再综合考虑反应谱法和时程分析法各自的特征，本文最后采用反应谱法对熔盐泵的地震响应进行计算。
按照规范，选取的OBE和SSE地震波谱阻尼比分别为2%和4%，水平两个方向考虑加速度相同，两类地震波谱分别如图7、图8所示。对于本文的研究对象，水平方向为X和Y方向，竖直方向为Z。
图7 OBE反应谱
图8 SSE反应谱
4.2 抗震分析结果
4.2.1 强度校核
本文采用SRSS方法进行反应谱振型组合。OBE和SSE工况下的应力分布云图分别如图9、图10所示。从图中可见，最大应力均出现在连接架位置，两类工况由于频谱趋势接近，主要差异体现在加速度数值上，故整体的应力分布云图趋势相近。为了更进一步考察熔盐泵内部的应力情况，本文选取了SSE工况下熔盐泵内部的应力云图为研究对象，如图11所示。从图中可见，除了连接架位置，在转子组件的轴承处和主轴位置整体应力水平较其他部位较高。但熔盐泵的整体应力水平较低，OBE反应谱下对应最大应力为12.6MPa，SSE对应最大应力为21.2MPa。
图9 熔盐泵OBE下整体应力云图
图10 熔盐泵SSE下整体应力云图
图11 熔盐泵SSE下内部应力云图
泵的完整性要求主要体现在电机、电机座、转子部件、连接架和泵罐等部件的强度问题上，本文以上述部件为研究对象，其最大应力值如表4所示。由表可知，在当前的OBE和SSE工况下，熔盐泵的整体应力水平均较低，低于材料的许用应力。
表4 熔盐泵在OBE和SSE两类地震作用下关键部件的最大等效应力
4.2.2 静动部件间隙校核
泵在地震工况下的可运行性准则要求：转子组件在两类地震工况下，转动件和静止件变形后仍然能够无障碍运转，不发生摩擦、挤压现象。
针对熔盐泵的设计，转子组件最易与周围部件发生接触、碰撞的位置集中在转子组件地震工况下挠度最大的叶轮位置和主轴与密封原件配合的部位。表5为这两个关键部位在地震工况下的位移响应值。由于与叶轮有间隙要求的泵体和与主轴配合的密封原件地震工况下的位移值均较小，与转子组件相差一个数量级，故可考虑忽略其位移量。根据TMSR熔盐泵设计间隙和运行间隙数据得知，叶轮与泵体的运行间隙为2mm，轴与密封原件的间隙为0.8mm，表5中叶轮位置和轴与密封元件位置在X、Y、Z三个方向以及总的位移响应值均小于各自的限值，可见在两类地震工况下转子组件能满足运行需求。
表5 熔盐泵在OBE和SSE两类地震作用下转子组件的位移
5 结论
本文建立了熔盐泵三维有限元实体模型，计算得到了熔盐泵的前十阶模态和振型。在抗震分析中，采用反应谱分析方法计算了在OBE和SSE两类地震工况下熔盐泵各关键部件的应力响应和转子组件的位移响应。计算结果表明，在当前的地震工况下，熔盐泵机组的整体应力水平较低，小于材料许用应力；熔盐泵转子组件和静止件的间隙基本能满足变形要求。由于反应堆具体的选址和该区域的地震反应谱尚未确定，故本文的计算仅作方法上的探讨，而最终反应堆建址地区的反应谱确定、此确定反应谱下的抗震研究、结合温度场的应力评定和疲劳计算将是下一步熔盐泵计算中最重要的工作。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：TMSR熔盐泵抗震性能研究
相关文章
