1 引言
中國科學院戰略性先導專項TMSR（Thorium-based Molten Salt Reactor，釷基熔鹽堆）是當今世界第四代先進反應堆的六個候選堆型之一，具有中子經濟性好、放射性廢物少、功率密度高和安全性較高等優點。熔鹽泵是回路和反應堆核島的關鍵性動力旋轉設備，在超長服役的過程中，它必須能承受各種極端的事故工況。熔鹽泵的結構力學性能不僅影響著自身的安全運行，同時也關系著整個反應堆回路系統乃至反應堆的正常運行。根據ASME規范和我國的核安全法規，熔鹽泵除了要滿足其自身的功能要求，還要求能承受一定的地震載荷。具體的要求是熔鹽泵在承受OBE（運行基準地震）擾動周期內能繼續運轉而不發生機械損壞，同時也不會引起其他設備的損壞，在SSE（安全停堆地震）下能保持承壓邊界的完整性。
本文以現有TMSR回路用熔鹽泵為基礎，對含轉子部件在內的熔鹽泵進行三維有限元建模，對熔鹽泵的固有頻率和在兩類地震工況下的抗震性能進行了相關研究。本文的研究成果為下一步核級泵的抗震設計和安全評估提供參考依據。
2 有限元模型
2.1 三維實體模型的建立
由于熔鹽泵模型較為復雜，故一般三維實體的建模工作均不考慮直接在有限元軟件中完成，而是借助建模功能更為強大的三維造型軟件，常用的三維造型軟件有NX、Pro/Engineer、Solid Edge、Solidworks等。TMSR工程回路用熔鹽泵初始的三維實體軟件由回路設計部門在Solid Edge中完成，其幾何模型如圖1所示。熔鹽泵模型由泵罐、連接架、轉子組件、密封組件、葉輪、泵體和液下連接架等構成，其中泵轉子組件包含兩對滾珠軸承。電機模型包含電機和電機座。
圖1 熔鹽泵幾何模型
2.2 材料特性
TMSR當前工程回路熔鹽泵的運行介質為FLiNaK熔鹽，由于熔鹽介質的特殊性，熔鹽泵的主體結構均采用能耐熔鹽腐蝕的C276合金，電機座和電機由于并不與熔鹽相接觸，使用材料為Incnel 316。此外，TMSR設計回路系統的運行溫度在650℃以上，隨著溫度升高，材料的力學特性也會隨之變化，由于本文的計算并不涉及到熱瞬態計算，故僅選取650℃下C276和Incnel 316的力學參數進行后續計算，兩種材料在650℃運行溫度下的力學特性參數如表1所示。
表1 材料在650℃下的力學特性參數
2.3 有限元模型及邊界條件
在泵機組的整體計算中，一般并不對完整的軸承進行建模和分析，而是采取等效的方式模擬滾珠對軸承座和軸套的作用。本文對轉子部件進行簡化，兩對滾珠軸承均采用SKF軸承公司等效線性化處理后的剛度進行計算，線性化剛度參數如表2所示。
表2 熔鹽泵軸承剛度
軸套與軸承座之間的相互作用由Ansys單元庫中Combin14彈簧單元模擬，在每對軸套與軸承座圓環上各創建四個Combin14單元，每個單元的剛度為軸承線性化剛度的1/2。同時為了有效控制計算的規模，葉片等非關鍵部件以附加質量單元Mass21的形式添加到整個有限元模型中。此外，為了更進一步減小計算規模，泵與電機支座、電機支座與電機均采用剛性連接。最終熔鹽泵在Workbench平臺中采用Solid187單元進行實體部件的網格劃分，整個模型的節點數為588374，單元數為327585，其有限元模型如圖2所示。
圖2 熔鹽泵有限元模型
由于熔鹽泵的運行溫度在650℃左右，高溫環境下熔鹽泵內部組件的熱匹配、熱變形釋放和管道熱位移處理等均是一個亟待解決的問題，這其中也涉及到泵支撐平臺的優化改進。也正是基于此原因，本文并沒有將泵支撐平臺作為有限元模型建立，僅對熔鹽泵的外部支撐做等效簡化處理，即將泵罐法蘭與支撐平臺螺栓連接處的自由度全部約束。
3 模態分析
本文采用Workbench中默認的PCG LANCZOS進行模態提取。計算得到的一階頻率為18.7Hz，圖3和圖4分別為熔鹽泵機組和內部轉子組件的一階振型。從圖中可以看出一階振型主要為水平X方向擺動，擺動幅度最大的位置在轉子組件的葉輪處，且熔鹽泵機組整體均參與了一階振型。由此可知，熔鹽泵機組整體的一階頻率和轉子組件的一階頻率相近。圖5和圖6分別為熔鹽泵機組和轉子組件的二階振型，主要體現為轉子組件水平Y方向的擺動。從圖中可見熔鹽泵除轉子以外的部件未參與二階振型。泵機組第三階和第四階的頻率和振型如表3所示，從表中我們可以看出熔鹽泵第三階振型仍主要為泵轉子組件的振動，直到第四階才同時出現泵機組整體和轉子組件在水平Y方向的擺動，其中最大振動幅度出現在電機位置。根據前四階模態的特征可以看出熔鹽泵機組在水平X和Y兩個方向的剛度存在一定的差異性，這與實際的結構特征也相符合。
圖3 熔鹽泵機組一階振型
圖4 轉子組件一階振型
圖5 熔鹽泵機組二階振型
圖6 轉子組件二階振型
熔鹽泵整體前十階頻率和對應的振型特征如表3所示。總體來說，在頻率較低的區間主要為泵轉子組件與電機的擺動，在頻率較高的區間主要為泵軸與電機的彎曲振動。值得注意的是，泵機組仍然是以泵轉子的振動為主，水平擺動幅度最大值多出現于葉輪，彎曲振動幅度最大值多為泵主軸。
表3 熔鹽泵前十階模態及振型特征
4 抗震分析
4.1 抗震分析方法
抗震分析的主要目的是驗證熔鹽泵在OBE和SSE兩類地震工況后，是否能保證其結構完整性和可運行性。常用的抗震分析方法有等效靜力法、反應譜法和時程分析法。
等效靜力分析方法要求結構的一階頻率大于33Hz，而反應譜法和時程分析法則對結構的頻率無計算方法上的要求。其中反應譜法既考慮了結構動力特性和地震動特性之間的關系，又充分運用了靜力理論，使得復雜機構地震作用下的響應計算變得簡單可行，但是其計算不能包含非線性因素。而時程分析法則是真正意義上的動力分析方法，可充分考慮地震波的特征因素，如振幅、持續時間等，且可以充分考慮結構的非線性因素，但是由于計算量龐大，一般情況下均是作為反應譜分析方法的補充計算。結合前文的計算結果，熔鹽泵的一階頻率為18.7Hz，小于33Hz，再綜合考慮反應譜法和時程分析法各自的特征，本文最后采用反應譜法對熔鹽泵的地震響應進行計算。
按照規范，選取的OBE和SSE地震波譜阻尼比分別為2%和4%，水平兩個方向考慮加速度相同，兩類地震波譜分別如圖7、圖8所示。對于本文的研究對象，水平方向為X和Y方向，豎直方向為Z。
圖7 OBE反應譜
圖8 SSE反應譜
4.2 抗震分析結果
4.2.1 強度校核
本文采用SRSS方法進行反應譜振型組合。OBE和SSE工況下的應力分布云圖分別如圖9、圖10所示。從圖中可見，最大應力均出現在連接架位置，兩類工況由于頻譜趨勢接近，主要差異體現在加速度數值上，故整體的應力分布云圖趨勢相近。為了更進一步考察熔鹽泵內部的應力情況，本文選取了SSE工況下熔鹽泵內部的應力云圖為研究對象，如圖11所示。從圖中可見，除了連接架位置，在轉子組件的軸承處和主軸位置整體應力水平較其他部位較高。但熔鹽泵的整體應力水平較低，OBE反應譜下對應最大應力為12.6MPa，SSE對應最大應力為21.2MPa。
圖9 熔鹽泵OBE下整體應力云圖
圖10 熔鹽泵SSE下整體應力云圖
圖11 熔鹽泵SSE下內部應力云圖
泵的完整性要求主要體現在電機、電機座、轉子部件、連接架和泵罐等部件的強度問題上，本文以上述部件為研究對象，其最大應力值如表4所示。由表可知，在當前的OBE和SSE工況下，熔鹽泵的整體應力水平均較低，低于材料的許用應力。
表4 熔鹽泵在OBE和SSE兩類地震作用下關鍵部件的最大等效應力
4.2.2 靜動部件間隙校核
泵在地震工況下的可運行性準則要求：轉子組件在兩類地震工況下，轉動件和靜止件變形后仍然能夠無障礙運轉，不發生摩擦、擠壓現象。
針對熔鹽泵的設計，轉子組件最易與周圍部件發生接觸、碰撞的位置集中在轉子組件地震工況下撓度最大的葉輪位置和主軸與密封原件配合的部位。表5為這兩個關鍵部位在地震工況下的位移響應值。由于與葉輪有間隙要求的泵體和與主軸配合的密封原件地震工況下的位移值均較小，與轉子組件相差一個數量級，故可考慮忽略其位移量。根據TMSR熔鹽泵設計間隙和運行間隙數據得知，葉輪與泵體的運行間隙為2mm，軸與密封原件的間隙為0.8mm，表5中葉輪位置和軸與密封元件位置在X、Y、Z三個方向以及總的位移響應值均小于各自的限值，可見在兩類地震工況下轉子組件能滿足運行需求。
表5 熔鹽泵在OBE和SSE兩類地震作用下轉子組件的位移
5 結論
本文建立了熔鹽泵三維有限元實體模型，計算得到了熔鹽泵的前十階模態和振型。在抗震分析中，采用反應譜分析方法計算了在OBE和SSE兩類地震工況下熔鹽泵各關鍵部件的應力響應和轉子組件的位移響應。計算結果表明，在當前的地震工況下，熔鹽泵機組的整體應力水平較低，小于材料許用應力；熔鹽泵轉子組件和靜止件的間隙基本能滿足變形要求。由于反應堆具體的選址和該區域的地震反應譜尚未確定，故本文的計算僅作方法上的探討，而最終反應堆建址地區的反應譜確定、此確定反應譜下的抗震研究、結合溫度場的應力評定和疲勞計算將是下一步熔鹽泵計算中最重要的工作。
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本文標題：TMSR熔鹽泵抗震性能研究
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