核电厂抗震辅助给水箱及其设计方法与流程

本发明属于核电领域，更具体地说，本发明涉及一种核电厂抗震辅助给水箱及其设计方法。
背景技术：
：辅助给水箱是在役核电厂中作为核辅助给水系统中的备用储水装置，主要用在蒸汽发生器供水功能丧失的紧急情况下为系统提供足够补水，辅助给水系统运行，导出余热，避免或者缓解事故后果，保证核电厂运行安全性。常见的辅助给水箱通常为大型的常压立式薄壁圆筒形容器，一般直接安装在厂房的地面或一定标高的楼板上。核电厂正常运行期间，辅助给水箱内部水装量占有效容积的90％以上，如果发生地震等突发情况，将造成明显的液晃效应，对辅助给水箱筒体产生巨大冲击力。安装楼层越高，地震剧烈程度越大，对辅助给水箱筒体产生的冲击力越大，对辅助给水箱筒体结构强度和稳定性的影响也越大，当厂址地震激励变大时，可能导致设备抗震能力裕量不足，影响核电厂的安全运行。请参阅图1所示，目前，在役百万千万级核电厂的辅助给水箱主要由底板10、筒体20、封头30、接管(未示出)、人孔(未示出)等部件组成。筒体20外直径为9.7m，总高度为14.566m，由5层圆柱筒段组成，自下而上厚度逐渐减薄，呈阶梯状分布，各层高度和厚度如表1所示。核电厂正常运行期间，辅助给水箱水装量为1000立方米，液面高度为13.54m。辅助给水箱通过34颗m68的地脚螺栓垂直安装在标高+0.2m的厂房楼板上。表1现有辅助给水箱筒体各层设计参数由于辅助给水箱内部水装量占有效容积的90％以上，地震作用产生的液晃效应在很大程度上降低了结构的强度安全和稳定性，特别是影响结构的稳定性。地震发生时，辅助给水箱实际受到的地震载荷从地面以下-7.0m的基岩位置传递上来，到达+0.2m的安装位置，已经具有明显的放大效应，地震加速度峰值数据放大近2倍。这种放大的地震载荷作用在辅助给水箱上时，会导致水箱中的液晃效应显著增强，对辅助给水箱筒体壁面产生巨大冲击力，而筒体下部受到的冲击影响尤为剧烈，可能影响辅助给水箱的结构稳定性。有鉴于此，确有必要提供一种核电厂抗震辅助给水箱，通过改善在役核电厂中辅助给水箱的结构和强度，提高辅助给水箱在地震作用下的抗震能力，达到增强核电厂运行安全性的目的。技术实现要素：本发明的目的在于：提供一种核电厂抗震辅助给水箱，通过改善在役核电厂中辅助给水箱的结构和强度，提高辅助给水箱在地震作用下的抗震能力，达到增强核电厂运行安全性的目的。为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电厂抗震辅助给水箱，包括：底板、与底板焊接的筒体，筒体内壁圆周上设置有竖直筋板，竖直筋板与筒体内壁和底板固定连接，并沿筒体内壁从下往上布置。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种改进，所述竖直筋板均匀布置在筒体内壁圆周上，数目为20～40条，角度间隔为9～15°。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种改进，所述竖直筋板非均匀布置在筒体内壁圆周上，数目为20～40条，角度间隔为9～15°。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种改进，所述竖直筋板与筒体内壁和底板通过焊接连接，所述焊接方式为单面或双面间断角焊，焊缝间距为50～100mm，所述竖直筋板与筒体焊接后形成的焊缝与筒体自身的纵向和环向焊缝之间各相隔20～50mm。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种改进，所述竖直筋板高度为筒体高度的1/3～2/3。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种改进，所述竖直筋板由高度、宽度、厚度相同或不同的钢板焊接而成，所述焊接方式为双面角焊。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种改进，所述钢板上下两端各至少设置有1个直径为30～60mm的小孔，钢板材料与筒体材料相同。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种改进，所述焊接为手工电弧焊或二氧化碳气体保护焊。本发明还提供了一种核电厂抗震辅助给水箱的设计方法，包括以下步骤：1)设计辅助给水箱；2)在辅助给水箱筒体内壁焊接竖直筋板；3)对焊缝进行100％磁粉检验；4)对筒体内部进行喷砂防锈处理。作为本发明核电厂抗震辅助给水箱的设计方法的一种改进，还包括建立有限元计算模型，对核电厂抗震辅助给水箱进行抗震分析和验证。相对于现有技术，本发明核电厂抗震辅助给水箱在现有辅助给水箱技术的基础上，对辅助给水箱结构进行优化设计，具有以下优点：1)通过在筒体内壁安装竖直筋板，各工况筒体壁面的轴向压应力值明显降低；2)弥补现有技术方案的设计缺陷，能够明显提升设备的抗震能力，增强核电厂运行安全性；3)该方案简单方便，可操作性强，施工经济成本低。附图说明下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电厂抗震辅助给水箱及设计方法进行详细说明，其中：图1为核电厂现有辅助给水箱简图。图2为核电厂现有辅助给水箱未安装竖直筋板前的计算模型图。图3为本发明核电厂抗震辅助给水箱计算模型图。图4为本发明核电厂抗震辅助给水箱的示意图。图5为本发明竖直筋板方位布置的示意图。图6为本发明竖直筋板的示意图。图7为本发明竖直筋板与筒体焊接方式的示意图。具体实施方式为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。请参阅图3至图7所示，本发明核电厂抗震辅助给水箱包括：底板10、与底板10焊接的筒体20，筒体20内壁圆周上设置有竖直筋板60，竖直筋板60与筒体20内壁和底板10固定连接，并沿筒体20从下往上布置。底板10为具有一定刚性强度的钢板，固定在地面或固定支架结构上。筒体20为圆柱形结构，筒体20上开设有人孔(未示出)和接管(未示出)，顶部设置有用于密封筒体20的封头30，筒体20外部还设置有爬梯(未示出)和平台(未示出)。请参阅图2所示，结合核电厂现有辅助给水箱结构和安装位置，建立有限元计算模型，对辅助给水箱进行抗震分析和验证，辅助给水箱结构采用壳体单元模拟，依据asce-4-98，辅助给水箱中的水分为上下两部分：下面部分为冲击水，计算时将其质量等效分布到对应的筒体上；上面部分为晃动水，采用质量弹簧模型进行模拟。计算中考虑了地震载荷和液晃效应，稳定性计算结果如表2所示。通过模拟计算结果可知，核电厂现有辅助给水箱设计工况和事故工况下第1、2层筒壁的轴向压应力值都较大，当辅助给水箱受到较大冲击时，会影响辅助给水箱的稳定性。请参阅图3所示，由于未安装竖直筋板的辅助给水箱各工况第1、2层筒壁的轴向压应力值较大，影响辅助给水箱的稳定性，特别是当辅助给水箱因为强震发生破坏时，会影响核电厂的安全运行。因此，在现有核电厂辅助给水箱的基础上，通过建立有限元计算模型，对辅助给水箱筒体20结构进行优化设计，最终通过对辅助给水箱进行抗震分析和验证，在辅助给水箱筒体20内壁设置竖直筋板60，能达到设计优化的效果。稳定性计算结果如表2所示，通过模拟计算结果可知，通过对核电厂辅助给水箱筒体20内壁圆周上设置竖直筋板60，能够显著降低辅助给水箱各工况下筒体第1、2层筒壁的轴向压应力值，提高辅助给水箱的抗震性能。表2辅助给水箱优化设计前后稳定性计算结果请参阅图4至图7所示，在核电厂现有辅助给水箱筒体20内壁圆周上安装若干竖直筋板60，安装后竖直筋板60的高度为筒体20高度的1/3～2/3。在图示实施方式中，由于筒体20各层筒段厚度自下而上逐渐减薄，基本上是均匀过渡，竖直筋板60由3块高度、宽度、厚度不同的钢板62,64,66采用双面角焊、手工电弧焊的方式焊接而成，钢板62,64,66的规格请参阅表3所示。为便于焊接，钢板62,64,66材料与筒体20的材料相同，每块钢板62,64,66上下两端各设置有1个直径为30～60mm的小孔602，在图示实施方式中，小孔602的直径为30mm，便于钢板62,64,66焊接过程中吊装使用。在本发明的其他实施方式中，如果筒体20筒壁的厚度上下一致，竖直筋板60可由高度、宽度、厚度相同的钢板采用双面角焊、手工电弧焊的方式焊接而成。竖直筋板60与筒体20内壁和底板10通过手工电弧焊、双面间断角焊的方式焊接连接，焊缝间距为50～100mm。在图示实施方式中，钢板62与筒体20的第1层圆柱筒段21焊接，焊缝长度为100mm，焊缝间距为100mm，焊缝段数为15段，焊脚尺寸为16mm；钢板64与第2层圆柱筒段23焊接，焊缝长度为100mm，焊缝间距为100mm，焊缝段数为15段，焊脚尺寸为12mm；钢板66与第3层圆柱筒段25焊接，焊缝长度为50mm，焊缝间距为50mm，焊缝段数为30段，焊脚尺寸为5mm。采用间断角焊不仅提高了焊接速度，避免了焊缝集中对筒体20内壁的损伤，同时可以最大程度降低残余应力的影响。而且，竖直筋板60的焊缝应避开原设备筒体20上的纵向和环向焊缝，筒体20纵向和环向焊缝各20～50mm范围内，竖直筋板60与筒体20不焊接，避免焊缝集中对筒体20内壁造成损伤，在图示实施方式中，筒体20纵向和环向焊缝各20mm范围内，竖直筋板60与筒体20不焊接。在本发明的其他实施方式中，焊缝长度、焊缝间距、焊缝段数、焊脚尺寸可根据实际情况进行调整。根据本发明核电厂抗震辅助给水箱的一种实施方式，钢板62与第1层圆柱筒段21高度一致，钢板64与第2层圆柱筒段23高度一致，钢板66由于竖直筋板60高度的缘故，与第3层圆柱筒段25高度不相同。3块钢板62,64,66焊接在筒体20内壁后，其宽度与筒体20的厚度之和相等，都为316mm，即3块钢板通过焊接形成竖直筋板60后竖直方向处于同一平面。由于筒体20每一层圆柱筒段受到的轴向压应力值不同，为便于安装和节约材料，钢板的厚度可以从下往上逐渐减小。表3钢板尺寸参数钢板编号高度×宽度×厚度(mm)钢板623000×300×38钢板643000×304×20钢板662376×306×7但是在本发明的其他实施方式中，钢板62,64,66规格并不受此限制，可根据辅助给水箱的具体规格和人孔大小进行相应的调整。如果筒体20不是由多层圆柱筒段组成，而是为一体结构，则竖直筋板60可选用整段结构，也可选用多段钢板进行焊接连接形成。特别地，如果辅助给水箱由多层圆柱筒段通过焊接连接而成，钢板的高度尽可能与每一层的高度一致。此外，如果筒体20每一层的筒段过高，而为了考虑到钢板的重量和人孔的大小，满足安装的需要，钢板的高度也可与筒段的高度不一致，一层筒段的高度可为多块钢板焊接连接后的高度，或一块钢板的高度可为多层筒段的高度，筒段高度与钢板高度没有明确限制。请参阅图5所示，竖直筋板60通常情况下在筒体20内壁的圆周上均匀分布，在布置过程中，竖直筋板60的布置为避开筒体20上的人孔，在筒体20内壁圆周上的分布方位以设备人孔为参照进行布置。竖直筋板60的数目为20～40条，角度间隔为9～15°。竖直筋板60也可采用非均匀布置的方式焊接在筒体20内壁的圆周上，具体以筒体20本身的结构而定。特别地，竖直筋板60在辅助给水箱接管(未示出)附近采用非均匀布置，在其他方向采用均匀布置，圆周方向上的分布方位以人孔(未示出)为参照进行布置，在图示实施方式中，筒体20内壁圆周上设置焊接有32条竖直筋板60，为避开筒体20上的接管(未示出)，方位角64.25°、77.25°、87.75°位置处的竖直筋板60为非均匀布置，其余竖直筋板60在圆周方向上为均匀分布，角度间隔为11.25°。当筒体20内壁圆周方向上布置24条竖直筋板60时，方位角79.5°位置处的竖直筋板60为非均匀布置，其他竖直筋板60在筒体20内壁圆周方向上均匀分布，角度间隔为15°。当筒体20内壁圆周方向上布置40条竖直筋板60时，竖直筋板60在筒体20内壁圆周方向上全部均匀分布，角度间隔为9°。在本发明的其他实施方式中，如果不考虑避开人孔，则在筒体20内壁圆周方向上的分布方位可以不以设备人孔为参照进行布置，则相应的接管附近的方位角也就不同，而且，在以设备人孔为参照进行布置时，方位角也可根据接管位置不同设置不同的角度。需要说明的是，本发明在辅助给水箱筒体20内壁增加设置竖直筋板60包括在现有辅助给水箱筒体20内壁增加设置竖直筋板60，也包括在新建的辅助给水箱或储罐筒体20内壁增加设置竖直筋板60。本发明核电厂抗震辅助给水箱设计过程如下：在现有核电厂辅助给水箱的基础上，建立与实际结构一致的有限元计算模型，对辅助给水箱进行抗震分析和验证，辅助给水箱结构采用壳体单元模拟，依据asce-4-98，辅助给水箱中的水分为上下两部分：下面部分为冲击水，计算时将其质量等效分布到对应的筒体上；上面部分为晃动水，采用质量弹簧模型进行模拟。计算中考虑了地震载荷和液晃效应，得到在地震作用下的结构响应；将得到的结构在地震作用下的应力响应用于结构配筋设计。在核电厂检修期间，将辅助给水箱内的水全部排出，通过人孔将带有吊装小孔602的钢板62,64,66运入筒体20内，并根据设计和验证结果在筒体20内壁圆周上焊接钢板62,64,66，然后将钢板62底部与底板10焊接固定。钢板62,64,66之间通过手工电弧焊的双面角焊方式进行焊接连接，钢板62,64,66与筒体20内壁之间通过手工电弧焊的双面间断角焊的方式进行焊接连接，焊缝间距为50～100mm，钢板62与底板10之间也通过手工电弧焊的双面间断角焊的方式进行焊接连接，焊缝间距为50～100mm。钢板焊接形成竖直筋板60的焊缝避开原设备筒体20上的纵向和环向焊缝，原筒体20纵向和环向焊缝各20mm范围内，竖直筋板60与筒体20不焊接。竖直筋板60的布置为避开人孔，在筒体20内壁圆周方向上的分布方位以设备人孔为参照进行布置。通过钢板62,64,66焊接形成的竖直筋板60的数目为32条，角度间隔为11.25°。由于接管的缘故，在方位角64.25°、77.25°、87.75°位置处的竖直筋板60为非均匀布置，其他竖直筋板60在圆周方向上均匀分布。为提高辅助给水箱的抗震性能，也可对新建的辅助给水箱筒体20内壁按照本方法增加设置竖直筋板60，竖直筋板60可以在现场辅助给水箱安装完毕后通过人孔运入筒体20内部进行焊接安装，也可在现场安装辅助给水箱期间直接在筒体20内壁焊接安装竖直筋板60。竖直筋板60与筒体20内壁焊接后对角焊缝进行100％磁粉检验，并对筒体20内部进行喷砂防锈处理，然后将辅助给水箱储水投入使用。相对于现有技术，本发明核电厂抗震辅助给水箱在现有辅助给水箱技术的基础上，对辅助给水箱结构进行优化设计，具有以下优点：1)通过在筒体20内壁安装竖直筋板60，各工况筒体20壁面的轴向压应力值明显降低；2)弥补现有技术方案的设计缺陷，能够明显提升设备的抗震能力，增强核电厂运行安全性；3)该方案简单方便，可操作性强，施工经济成本低。应当说明的是，在本发明的其他实施方式中，辅助给水箱的安装位置、筒体20由多少层圆柱筒段构成以及筒体20各层的规格并不受此限制，任何与本发明竖直筋板60设计方式相同或相似的辅助给水箱或储罐都属于本发明保护的范畴。本发明核电厂抗震辅助给水箱的设计方式也适用于石油化工、常规电厂、船舶、水处理、食品等民用工业的储罐，储存的液体可以为水、石油化工产品、化学试剂等。根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。当前第1页12