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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送到裝運系統(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。針對換料機(jī)在服役期間的工作狀況，需要對其在正常運行和地震工況下進(jìn)行動力分析計算，并依此進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析。
對換料機(jī)安全評定中，主要考慮主要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評定、螺栓和焊縫的強(qiáng)度評定、輔吊支腿的屈曲安全評定；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燃料組件的重要作用，其可靠性對保障換料機(jī)的安全運行具有重要的作用。因此，還需對指形鉤進(jìn)行詳細(xì)的局部強(qiáng)度分析。在目前我國核電結(jié)構(gòu)評定主要參照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)計算和評定，輔吊部分則參考國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/ T3811-2008起重機(jī)設(shè)計規(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)上各危險點在整個地震歷程中最大的應(yīng)力和內(nèi)力，對于3個不同方向輸入的地震響應(yīng)譜，采用SRSS C平方和開平方根方法進(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，針對伸縮套筒在水中運行的情況，需要考慮其在啟動、制動工況下的水阻力。在地震工況下，水對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)行計算。本文均采用Morison方程對伸縮套筒的水阻力和附加質(zhì)量進(jìn)行計算。
本文針對中科華核電技術(shù)研究院自行設(shè)計的1000 MW大型壓水堆核電就換料機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模，在正常運行、異常工況(OBE、事故工況CSSE )3種工況下進(jìn)行了動力分析計算，并依據(jù)RCC-M規(guī)范進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的安全評定。
換料機(jī)主要由移動式橋架大車、運行小車、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廠房內(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種運動：大車縱向運動、小車橫向運動和主提升機(jī)構(gòu)升降運動。對燃料組件的裝入、卸出和倒換操作需在12 m以下的水下進(jìn)行。采用ANSYS對換料機(jī)進(jìn)行了有限元建模，如圖所示。設(shè)定X方向為大車運行方向，Y方向為小車運行方向，Z方向為豎直方向。原點設(shè)在水平面，大車橋架中心處。計算模型主要采用梁單元，結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為25221 kg，燃料組件650 kg。對換料機(jī)在正常工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算可將其轉(zhuǎn)化為靜力分析，將啟動或制動加速度引起的慣性力、重力和浮力施加到結(jié)構(gòu)上。對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)計算采用頻譜分析法，地震荷載施加在基礎(chǔ)點，即大車車輪處。
對換料機(jī)進(jìn)行動力分析和強(qiáng)度評定主要考慮其在正常運行和地震條件下的安全性。對于正常運行工況分別考慮其在制動和啟動條件下的強(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行，因此在本項目中將考慮換料機(jī)在運行中水的阻力，以及地震條件下水的附加質(zhì)量。在正常工況下，大車的啟動加速度as=1.70 m/s2，制動加速度ab = 1.96 m/ s2,同時正常運行速度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，對換料機(jī)的強(qiáng)度分別進(jìn)行了計算分析。本文以最危險情況，即小車處于大車中部時的情況為例進(jìn)行強(qiáng)度評定。針對換料機(jī)在正常運行中的大車啟動和制動工況，以及OBE，SSE 2種不同地震工況條件。
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