核電廠抗震輔助給水箱及其設計方法與流程

本發明屬于核電領域，更具體地說，本發明涉及一種核電廠抗震輔助給水箱及其設計方法。
背景技術：
：輔助給水箱是在役核電廠中作為核輔助給水系統中的備用儲水裝置，主要用在蒸汽發生器供水功能喪失的緊急情況下為系統提供足夠補水，輔助給水系統運行，導出余熱，避免或者緩解事故后果，保證核電廠運行安全性。常見的輔助給水箱通常為大型的常壓立式薄壁圓筒形容器，一般直接安裝在廠房的地面或一定標高的樓板上。核電廠正常運行期間，輔助給水箱內部水裝量占有效容積的90％以上，如果發生地震等突發情況，將造成明顯的液晃效應，對輔助給水箱筒體產生巨大沖擊力。安裝樓層越高，地震劇烈程度越大，對輔助給水箱筒體產生的沖擊力越大，對輔助給水箱筒體結構強度和穩定性的影響也越大，當廠址地震激勵變大時，可能導致設備抗震能力裕量不足，影響核電廠的安全運行。請參閱圖1所示，目前，在役百萬千萬級核電廠的輔助給水箱主要由底板10、筒體20、封頭30、接管(未示出)、人孔(未示出)等部件組成。筒體20外直徑為9.7m，總高度為14.566m，由5層圓柱筒段組成，自下而上厚度逐漸減薄，呈階梯狀分布，各層高度和厚度如表1所示。核電廠正常運行期間，輔助給水箱水裝量為1000立方米，液面高度為13.54m。輔助給水箱通過34顆m68的地腳螺栓垂直安裝在標高+0.2m的廠房樓板上。表1現有輔助給水箱筒體各層設計參數由于輔助給水箱內部水裝量占有效容積的90％以上，地震作用產生的液晃效應在很大程度上降低了結構的強度安全和穩定性，特別是影響結構的穩定性。地震發生時，輔助給水箱實際受到的地震載荷從地面以下-7.0m的基巖位置傳遞上來，到達+0.2m的安裝位置，已經具有明顯的放大效應，地震加速度峰值數據放大近2倍。這種放大的地震載荷作用在輔助給水箱上時，會導致水箱中的液晃效應顯著增強，對輔助給水箱筒體壁面產生巨大沖擊力，而筒體下部受到的沖擊影響尤為劇烈，可能影響輔助給水箱的結構穩定性。有鑒于此，確有必要提供一種核電廠抗震輔助給水箱，通過改善在役核電廠中輔助給水箱的結構和強度，提高輔助給水箱在地震作用下的抗震能力，達到增強核電廠運行安全性的目的。技術實現要素：本發明的目的在于：提供一種核電廠抗震輔助給水箱，通過改善在役核電廠中輔助給水箱的結構和強度，提高輔助給水箱在地震作用下的抗震能力，達到增強核電廠運行安全性的目的。為了實現上述發明目的，本發明提供了一種核電廠抗震輔助給水箱，包括：底板、與底板焊接的筒體，筒體內壁圓周上設置有豎直筋板，豎直筋板與筒體內壁和底板固定連接，并沿筒體內壁從下往上布置。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種改進，所述豎直筋板均勻布置在筒體內壁圓周上，數目為20～40條，角度間隔為9～15°。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種改進，所述豎直筋板非均勻布置在筒體內壁圓周上，數目為20～40條，角度間隔為9～15°。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種改進，所述豎直筋板與筒體內壁和底板通過焊接連接，所述焊接方式為單面或雙面間斷角焊，焊縫間距為50～100mm，所述豎直筋板與筒體焊接后形成的焊縫與筒體自身的縱向和環向焊縫之間各相隔20～50mm。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種改進，所述豎直筋板高度為筒體高度的1/3～2/3。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種改進，所述豎直筋板由高度、寬度、厚度相同或不同的鋼板焊接而成，所述焊接方式為雙面角焊。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種改進，所述鋼板上下兩端各至少設置有1個直徑為30～60mm的小孔，鋼板材料與筒體材料相同。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種改進，所述焊接為手工電弧焊或二氧化碳氣體保護焊。本發明還提供了一種核電廠抗震輔助給水箱的設計方法，包括以下步驟：1)設計輔助給水箱；2)在輔助給水箱筒體內壁焊接豎直筋板；3)對焊縫進行100％磁粉檢驗；4)對筒體內部進行噴砂防銹處理。作為本發明核電廠抗震輔助給水箱的設計方法的一種改進，還包括建立有限元計算模型，對核電廠抗震輔助給水箱進行抗震分析和驗證。相對于現有技術，本發明核電廠抗震輔助給水箱在現有輔助給水箱技術的基礎上，對輔助給水箱結構進行優化設計，具有以下優點：1)通過在筒體內壁安裝豎直筋板，各工況筒體壁面的軸向壓應力值明顯降低；2)彌補現有技術方案的設計缺陷，能夠明顯提升設備的抗震能力，增強核電廠運行安全性；3)該方案簡單方便，可操作性強，施工經濟成本低。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式，對本發明核電廠抗震輔助給水箱及設計方法進行詳細說明，其中：圖1為核電廠現有輔助給水箱簡圖。圖2為核電廠現有輔助給水箱未安裝豎直筋板前的計算模型圖。圖3為本發明核電廠抗震輔助給水箱計算模型圖。圖4為本發明核電廠抗震輔助給水箱的示意圖。圖5為本發明豎直筋板方位布置的示意圖。圖6為本發明豎直筋板的示意圖。圖7為本發明豎直筋板與筒體焊接方式的示意圖。具體實施方式為了使本發明的發明目的、技術方案及其技術效果更加清晰，以下結合附圖和具體實施方式，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解的是，本說明書中描述的具體實施方式僅僅是為了解釋本發明，并非為了限定本發明。請參閱圖3至圖7所示，本發明核電廠抗震輔助給水箱包括：底板10、與底板10焊接的筒體20，筒體20內壁圓周上設置有豎直筋板60，豎直筋板60與筒體20內壁和底板10固定連接，并沿筒體20從下往上布置。底板10為具有一定剛性強度的鋼板，固定在地面或固定支架結構上。筒體20為圓柱形結構，筒體20上開設有人孔(未示出)和接管(未示出)，頂部設置有用于密封筒體20的封頭30，筒體20外部還設置有爬梯(未示出)和平臺(未示出)。請參閱圖2所示，結合核電廠現有輔助給水箱結構和安裝位置，建立有限元計算模型，對輔助給水箱進行抗震分析和驗證，輔助給水箱結構采用殼體單元模擬，依據asce-4-98，輔助給水箱中的水分為上下兩部分：下面部分為沖擊水，計算時將其質量等效分布到對應的筒體上；上面部分為晃動水，采用質量彈簧模型進行模擬。計算中考慮了地震載荷和液晃效應，穩定性計算結果如表2所示。通過模擬計算結果可知，核電廠現有輔助給水箱設計工況和事故工況下第1、2層筒壁的軸向壓應力值都較大，當輔助給水箱受到較大沖擊時，會影響輔助給水箱的穩定性。請參閱圖3所示，由于未安裝豎直筋板的輔助給水箱各工況第1、2層筒壁的軸向壓應力值較大，影響輔助給水箱的穩定性，特別是當輔助給水箱因為強震發生破壞時，會影響核電廠的安全運行。因此，在現有核電廠輔助給水箱的基礎上，通過建立有限元計算模型，對輔助給水箱筒體20結構進行優化設計，最終通過對輔助給水箱進行抗震分析和驗證，在輔助給水箱筒體20內壁設置豎直筋板60，能達到設計優化的效果。穩定性計算結果如表2所示，通過模擬計算結果可知，通過對核電廠輔助給水箱筒體20內壁圓周上設置豎直筋板60，能夠顯著降低輔助給水箱各工況下筒體第1、2層筒壁的軸向壓應力值，提高輔助給水箱的抗震性能。表2輔助給水箱優化設計前后穩定性計算結果請參閱圖4至圖7所示，在核電廠現有輔助給水箱筒體20內壁圓周上安裝若干豎直筋板60，安裝后豎直筋板60的高度為筒體20高度的1/3～2/3。在圖示實施方式中，由于筒體20各層筒段厚度自下而上逐漸減薄，基本上是均勻過渡，豎直筋板60由3塊高度、寬度、厚度不同的鋼板62,64,66采用雙面角焊、手工電弧焊的方式焊接而成，鋼板62,64,66的規格請參閱表3所示。為便于焊接，鋼板62,64,66材料與筒體20的材料相同，每塊鋼板62,64,66上下兩端各設置有1個直徑為30～60mm的小孔602，在圖示實施方式中，小孔602的直徑為30mm，便于鋼板62,64,66焊接過程中吊裝使用。在本發明的其他實施方式中，如果筒體20筒壁的厚度上下一致，豎直筋板60可由高度、寬度、厚度相同的鋼板采用雙面角焊、手工電弧焊的方式焊接而成。豎直筋板60與筒體20內壁和底板10通過手工電弧焊、雙面間斷角焊的方式焊接連接，焊縫間距為50～100mm。在圖示實施方式中，鋼板62與筒體20的第1層圓柱筒段21焊接，焊縫長度為100mm，焊縫間距為100mm，焊縫段數為15段，焊腳尺寸為16mm；鋼板64與第2層圓柱筒段23焊接，焊縫長度為100mm，焊縫間距為100mm，焊縫段數為15段，焊腳尺寸為12mm；鋼板66與第3層圓柱筒段25焊接，焊縫長度為50mm，焊縫間距為50mm，焊縫段數為30段，焊腳尺寸為5mm。采用間斷角焊不僅提高了焊接速度，避免了焊縫集中對筒體20內壁的損傷，同時可以最大程度降低殘余應力的影響。而且，豎直筋板60的焊縫應避開原設備筒體20上的縱向和環向焊縫，筒體20縱向和環向焊縫各20～50mm范圍內，豎直筋板60與筒體20不焊接，避免焊縫集中對筒體20內壁造成損傷，在圖示實施方式中，筒體20縱向和環向焊縫各20mm范圍內，豎直筋板60與筒體20不焊接。在本發明的其他實施方式中，焊縫長度、焊縫間距、焊縫段數、焊腳尺寸可根據實際情況進行調整。根據本發明核電廠抗震輔助給水箱的一種實施方式，鋼板62與第1層圓柱筒段21高度一致，鋼板64與第2層圓柱筒段23高度一致，鋼板66由于豎直筋板60高度的緣故，與第3層圓柱筒段25高度不相同。3塊鋼板62,64,66焊接在筒體20內壁后，其寬度與筒體20的厚度之和相等，都為316mm，即3塊鋼板通過焊接形成豎直筋板60后豎直方向處于同一平面。由于筒體20每一層圓柱筒段受到的軸向壓應力值不同，為便于安裝和節約材料，鋼板的厚度可以從下往上逐漸減小。表3鋼板尺寸參數鋼板編號高度×寬度×厚度(mm)鋼板623000×300×38鋼板643000×304×20鋼板662376×306×7但是在本發明的其他實施方式中，鋼板62,64,66規格并不受此限制，可根據輔助給水箱的具體規格和人孔大小進行相應的調整。如果筒體20不是由多層圓柱筒段組成，而是為一體結構，則豎直筋板60可選用整段結構，也可選用多段鋼板進行焊接連接形成。特別地，如果輔助給水箱由多層圓柱筒段通過焊接連接而成，鋼板的高度盡可能與每一層的高度一致。此外，如果筒體20每一層的筒段過高，而為了考慮到鋼板的重量和人孔的大小，滿足安裝的需要，鋼板的高度也可與筒段的高度不一致，一層筒段的高度可為多塊鋼板焊接連接后的高度，或一塊鋼板的高度可為多層筒段的高度，筒段高度與鋼板高度沒有明確限制。請參閱圖5所示，豎直筋板60通常情況下在筒體20內壁的圓周上均勻分布，在布置過程中，豎直筋板60的布置為避開筒體20上的人孔，在筒體20內壁圓周上的分布方位以設備人孔為參照進行布置。豎直筋板60的數目為20～40條，角度間隔為9～15°。豎直筋板60也可采用非均勻布置的方式焊接在筒體20內壁的圓周上，具體以筒體20本身的結構而定。特別地，豎直筋板60在輔助給水箱接管(未示出)附近采用非均勻布置，在其他方向采用均勻布置，圓周方向上的分布方位以人孔(未示出)為參照進行布置，在圖示實施方式中，筒體20內壁圓周上設置焊接有32條豎直筋板60，為避開筒體20上的接管(未示出)，方位角64.25°、77.25°、87.75°位置處的豎直筋板60為非均勻布置，其余豎直筋板60在圓周方向上為均勻分布，角度間隔為11.25°。當筒體20內壁圓周方向上布置24條豎直筋板60時，方位角79.5°位置處的豎直筋板60為非均勻布置，其他豎直筋板60在筒體20內壁圓周方向上均勻分布，角度間隔為15°。當筒體20內壁圓周方向上布置40條豎直筋板60時，豎直筋板60在筒體20內壁圓周方向上全部均勻分布，角度間隔為9°。在本發明的其他實施方式中，如果不考慮避開人孔，則在筒體20內壁圓周方向上的分布方位可以不以設備人孔為參照進行布置，則相應的接管附近的方位角也就不同，而且，在以設備人孔為參照進行布置時，方位角也可根據接管位置不同設置不同的角度。需要說明的是，本發明在輔助給水箱筒體20內壁增加設置豎直筋板60包括在現有輔助給水箱筒體20內壁增加設置豎直筋板60，也包括在新建的輔助給水箱或儲罐筒體20內壁增加設置豎直筋板60。本發明核電廠抗震輔助給水箱設計過程如下：在現有核電廠輔助給水箱的基礎上，建立與實際結構一致的有限元計算模型，對輔助給水箱進行抗震分析和驗證，輔助給水箱結構采用殼體單元模擬，依據asce-4-98，輔助給水箱中的水分為上下兩部分：下面部分為沖擊水，計算時將其質量等效分布到對應的筒體上；上面部分為晃動水，采用質量彈簧模型進行模擬。計算中考慮了地震載荷和液晃效應，得到在地震作用下的結構響應；將得到的結構在地震作用下的應力響應用于結構配筋設計。在核電廠檢修期間，將輔助給水箱內的水全部排出，通過人孔將帶有吊裝小孔602的鋼板62,64,66運入筒體20內，并根據設計和驗證結果在筒體20內壁圓周上焊接鋼板62,64,66，然后將鋼板62底部與底板10焊接固定。鋼板62,64,66之間通過手工電弧焊的雙面角焊方式進行焊接連接，鋼板62,64,66與筒體20內壁之間通過手工電弧焊的雙面間斷角焊的方式進行焊接連接，焊縫間距為50～100mm，鋼板62與底板10之間也通過手工電弧焊的雙面間斷角焊的方式進行焊接連接，焊縫間距為50～100mm。鋼板焊接形成豎直筋板60的焊縫避開原設備筒體20上的縱向和環向焊縫，原筒體20縱向和環向焊縫各20mm范圍內，豎直筋板60與筒體20不焊接。豎直筋板60的布置為避開人孔，在筒體20內壁圓周方向上的分布方位以設備人孔為參照進行布置。通過鋼板62,64,66焊接形成的豎直筋板60的數目為32條，角度間隔為11.25°。由于接管的緣故，在方位角64.25°、77.25°、87.75°位置處的豎直筋板60為非均勻布置，其他豎直筋板60在圓周方向上均勻分布。為提高輔助給水箱的抗震性能，也可對新建的輔助給水箱筒體20內壁按照本方法增加設置豎直筋板60，豎直筋板60可以在現場輔助給水箱安裝完畢后通過人孔運入筒體20內部進行焊接安裝，也可在現場安裝輔助給水箱期間直接在筒體20內壁焊接安裝豎直筋板60。豎直筋板60與筒體20內壁焊接后對角焊縫進行100％磁粉檢驗，并對筒體20內部進行噴砂防銹處理，然后將輔助給水箱儲水投入使用。相對于現有技術，本發明核電廠抗震輔助給水箱在現有輔助給水箱技術的基礎上，對輔助給水箱結構進行優化設計，具有以下優點：1)通過在筒體20內壁安裝豎直筋板60，各工況筒體20壁面的軸向壓應力值明顯降低；2)彌補現有技術方案的設計缺陷，能夠明顯提升設備的抗震能力，增強核電廠運行安全性；3)該方案簡單方便，可操作性強，施工經濟成本低。應當說明的是，在本發明的其他實施方式中，輔助給水箱的安裝位置、筒體20由多少層圓柱筒段構成以及筒體20各層的規格并不受此限制，任何與本發明豎直筋板60設計方式相同或相似的輔助給水箱或儲罐都屬于本發明保護的范疇。本發明核電廠抗震輔助給水箱的設計方式也適用于石油化工、常規電廠、船舶、水處理、食品等民用工業的儲罐，儲存的液體可以為水、石油化工產品、化學試劑等。根據上述原理，本發明還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。當前第1頁12