AP1000核电球阀的抗震分析文献综述

 2022-08-04 10:08

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选题名称

AP1000核电球阀的抗震分析

研究的目的

及意义

核电阀门是核电站中重要的安全设备之一，核级阀门因其特定的运行环境和工作介质，与常规阀门产品相比，其可靠性水平高低对系统的安全性能和维修成本影响尤其突出。核电站的设计中，要求核级阀门在电站遭受地震期间或地震后( 安全停堆地震 SSE 和运行基准地震 OBE)，阀门能够继续维持其结构和承压边界的完整性及良好的工作特性。因此必须对核级阀门产品提出抗震的设计要求并对其实施有效的论证和分析，综合评价阀门的受力状态，考核阀门的强度是否符合要求。

国内外同类

研究概况

福岛核事故之前以美国为代表的核电大国都缺乏对超强地震所造成破坏隐患的安全保障措施，这次灾难就是疏忽而带来的后果。的福岛核事故后，美国、法国、日本、韩国、南非等核大国均快速地进行了响应，并制定了相关的应急准备改进措施，安全技术特别是抗震领域得到了巨大的发展。

国内目前核电应急准备工作的优化改进也因这次教训而迫在眉睫，国内目前对核电厂抗震规范的比较研究主要集中在抗震设防标准、物项抗震分类和设计基准地震动等。在 GB50267－97规范制订过程中，国内也有很多相关专家比较了各国之间核电标准中与核电厂抗震设计相关的规范，不同核电厂抗震设计规范、核电厂结构计算模型和计算方法等。对中国、美国和法国核电厂抗震设计规范，在核电厂的抗震设防目标方面，三国规范虽然都是两级设防，但是目标执行的具体要求有差异，具体到各物项设防水准更是不一致。结合本国核电技术的发展现状，相对于国外技术相对比较落后，研究的进程也是比较缓慢。

研究内容

及计划

本课题拟以第三代核电AP1000的某型球阀为研究对象，研究内容包括如下：

  1. 对球阀在地震载荷及设计组合载荷作用下的结构完整性和可运行性进行

有限元分析，计算阀门整体及其主要部件的模态；

  1. 根据相关核安全法规的要求，对承压边界部件作出应力评定、强度校核以

及能动部件的变形评价。

本课题对机械制造专业的学生而言，是扩展知识面，加深知识的理解和掌握，强

化应用技术与技能的很好的途径。

研究计划:

第1周至第2周(2.20~~3.3) 查阅文献，撰写综述报告并上传

第3周至第4周(3.4~~3.18) 学习软件SolidWorks和ANSYS

第5周至第6周(3.19~~4.1) 完成三维建模

第7周至第9周(4.2~~4.22） 有限元分析计算

第10周至第14周(4.23~~5.26) 撰写设计说明书

第15周或第17周(5.27~~6.1) 准备毕业设计答辩。

特色与创新
  1. 采用有限元软件ANSYS 对阀门建模，进行抗震分析；
  2. 利用有限元分析法在地震状况和振动情况下进行有效的仿真技术和模态分析。

指导教师

意 见

指导教师签名：

年 月 日

文献综述

1 研究背景及意义

作为传统能源的一种替代和补充，核能已经在许多国家得到了广泛的开发和应用。人类对核能的开发利用一方面可以有效地缓解国际社会中的能源紧缺问题，另一方面可以避免消耗传统能源导致的温室气体排放给环境带来的压力，从而极大地推动国际社会在减排和环保等方面的进步与发展。[1]截至2010 年1 月1 日，全世界已有437 座核动力堆在运行，核电在全球发电量中的份额已达到14%－16%。 随着更多国家在其能源结构中引入核能计划，核能的作用和重要性将与日俱增。[2]然而自人类社会进入和平利用核能的时代以来，核能利用大国已经发生了多次严重的核事故。在90年代英国美国日本都发生过多起核电站放射性物质外泄事故，尤其是苏联切尔诺贝利核电站事故最为著名，造成了极为严重的人员伤亡、环境灾难和社会经济的影响。[3]本世纪初日本发生特大地震致福岛核电站发生了极为严重的7 级核事故，报告承认对海啸的防范措施在整体上力度不足是导致事故恶化的主要原因。[4]

尽管对核能开发和利用存在着安全风险，但各国依然不断加强和开启核能项目，由于核电产业对社会的影响和贡献巨大，要想更好的发展社会核电利用不可或缺。美国一方面进一步加强了核安全举措; 另一面也明确表示美国大力发展核电的立场将不会改变。法国政府也表示在汲取日本教训的基础上会采取一切必要的安全保障措施但不会放弃核电的发展。[5]然而核事故除了对本国自身的经济、环境、生命健康与财产等造成重大损害以外，还将造成跨境影响，对区域乃至全球的人类和环境造成威胁、损害。严重的核事故会影响一国乃至世界的能源供给和能源结构，从而制约世界经济的稳定发展。[6]所以即要发展核能又要确保核安全就对核设备的安全系数提出了很高要求，特别像在日本这样地震等自然灾害多发的地区或国家，更需要对核设备的抗震分析作深刻研究。

2 国内外核电阀门抗震分析现状

2.1 国外核电阀门抗震分析的发展现状

1939年德国人哈恩和施特拉斯曼在世界上首先发现了核裂变现象,核能技术的应用开始进入人类社会。1942年美国在芝加哥建立了世界上第一座实验性反应堆。1954年第一座核电站在前苏联建成。此后,英国、法国、加拿大、德国和日本等国家也相继迅速发展了自己的核能工业，比中国早了近30年。[7]以美国为例，核电产业远超其他国家在全球范围内一家独大，在1954到1996期间美国就相继建立的超过200座的核电站。[8] 核电规模领先的美国在计算机仿真技术和有线元分析技术方面的发展也远超其他国家，因此核电阀体的设计和模态计算能力等更是强于中国。阀体抗震实验，结构分析手段都比中国要先进，相关领域的标准和规范也都是由美国来制定的。在电力构成上核电也占比例将近20%，其他拥有核电的发达国家的核电占比也比国内高。[9]

美国的发展前景和规划也非常明确，其正在为国内的104座核电站更新设备，计划会增加新的能力，而且成本较低并且保证会延长核电站60年的生命周期。在未来20年内美国计划新建20座核电站，在新一代的核电项目中将会采用先进的轻水反应堆技术。[10]这些新核电项目预计到2030年将会耗资2万亿，但这将会大大促进美国经济的发展，也会减少温室气体的排放缓解了环境的压力。[11]美国政府大力支持核电技术的发展，近90%的美国人民鼓励政府使用核能源，在美国等发达国家核电发展都得到人民的支持。要建立更多的核电站，核电安全阀门的抗震可靠性研究也急切需要进行。[12]

2.2 我国核电阀门方面的抗震分析现状

自1970年国内的原子弹氢弹相继获得成功，二机部和上海市联合向国务院提出压水堆核电厂方案，从此核电事业正式起步。至今30多年也取得了不少成绩，但想要完全自立还需时日。[13]国内的核电仅占全国发电总量1.43%在全世界31个核电国家和地区中排倒数第一，核电的发展在世界范围处于落后的地位。[14]

在抗震分析方面，目前采用的抗震分析都是通过计算机模拟实体进行有限元分析，而多数阀制造厂没有该方面的程序或者程序不够权威或专业，因此只能求助于各大科研院所和核电设计院。[15]仅以清华大学为例，根据泵厂提供的设备设计制造图样，采用三维CAD软件建立泵的几何模型，在MSC.Patran软件中建立泵的有限元分析模型，采用MSC.Nastran有限元程序进行抗震分析，并根据分析结果来校验泵各部位是否满足上述抗震要求。MSC.Nastran和MSC.Patran均是当前国际上比较权威的结构分析软件，早期也用Super SAP windows，但它们都是美国公司开发的一个结构分析程序。[16]主要分析技术都是源于国外，很难获得到国外抗震分析技术的最新成果，缺乏自主创新。

3 核电阀门抗震分析概况

3.1 我国核电阀门的发展现状

数字最能说明问题，据统计目前建成和在建的 870 万千瓦核电机组中有 720 万千瓦分从法国、加拿大和俄罗斯进口，而国内自主设计、自主建造的核电站只有秦山一期30万千瓦和秦山二期两台60万千瓦核电机组。[17]面对这样的困境，国务院核电领导小组的专家认为国内的核电在施工和运行方面已经能够自主化，但设计和制造方面距离国际水平有一定的差距。自主化要以自主设计和自主采购为核心，坚持自主运行，带动设备制造的自主化。设计是主要因素，没有自主设计，设备制造国产化就难以实现，除此之外还需要高水平的制造业。仅以阀门为例与国外相比，国内阀门生产企业还存在为核电提供的阀门种类不够齐全，设计水平、毛坯件生产技术(如：核安全级阀门的铸钢件对钢水的化学成分含量、均匀度要求严格， 不允许有夹渣、气孔存在)、机加工技术、辅助制造技术、试验技术和试验手段均有差距，必须进一步开发核电阀门产品，确保产品质量，才能满足核电阀门国产化的需求。[18]

从国内核电设备制造企业的装备能力和水平上看，业内专家认为国内的核电设备企业并不比国外差。但是我们的制造工艺水平相对于发达国家仍有差距。另外，核电装备制造的标准远比其他机械更为严格。中国核电设备制造企业在管理水平上都存在问题，尤其是企业核安全意识不太强。我国核电的发展路线是轻水压水堆，技术接近第三代。目前我国自主设计建造的汽轮机组仅有 65 万千瓦，而国际先进水平一般都达到百万千瓦级，最高达到135万千瓦。我国核电事业仅仅进入准备加速发展阶段，真正的加速要到2010年以后。[19]

根据国内主管部门的规划，到 2020年，我国核电增装机容量将达到3600万到4000万千瓦， 涉及到的直接投资达3000多亿元人民币。按照平均国产化率60%估算，国外核电企业将从核电设备技术提供中分得1200亿元左右，从这一点上，国产化率提高将意味着国产核电阀门取得得巨大发展。[20]

3.2 抗震分析方法的研究

根据人类对地震机理认知的发展过程，核电阀门抗震分析经历了静力理论、反应谱理论和动力理论的发展阶段。在静力理论阶段，地震水平加速度被认为是结构破坏的最重要因素。反应谱理论增加了对地震频谱的考虑，大大提高了人类工程的抗震能力。之后动力理论快速发展起来，它综合考虑了振幅、频谱和持时三要素，并能反应结构的非线性特性，包括变形和能量损耗的积累等，可以依据该理论得到更可靠的设计。核电阀门抗震分析在相当长一段时间内主要 采用静力分析法。近年来，随着抗震设计理论和手段的进步，以及核电等项目工程的需求，行业内开始尝试采用反应谱分析方法和时程分析法。使用有限元法可以从数值仿真的角度实现等效静力分析、反应谱分析[1][和直接时程响应分析等抗震分析方法。在结构设计阶段, 有限元法是目前常用的设备抗震分析数值仿真工具,是结构设计优化的重要辅助手段。[21]-[22]

有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法现今都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。[22]-[23]

4 总结

当前，我国正处于经济快速发展的关键时期， 核电发展面临着许多有利条件，同时也有许多需要高度重视和深刻思考的问题。对比国内外核电发展的差距，总结先进核电国家的发展经验与教训得知： 在未来我国核电的大规模快速发展中，需要高度重视核电安全，制定科学合理的核电发展战略，加强核电技术标准化建设，更好的利用计算机辅助技术对核事业的发展作出贡献，开发出更加先进可靠的方法对核阀以及其他核设施进行抗震分析，将核安全级别提高到新的层次，让人类得以更安全地享用核带来的巨大能量。

参考文献

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资料编号：[76700]

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