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換料機是壓水堆核電站裝卸核燃料的關鍵設備之一，其基本任務是在安全殼內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)的預定位置、補充新的燃料構件進行燃料循環(huán)、排空堆芯中的燃料組件并進行再裝料。針對換料機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行動力分析計算，并依此進行強度有限元分析。
對換料機安全評定中，主要考慮主要結構的強度評定、螺栓和焊縫的強度評定、輔吊支腿的屈曲安全評定；此外，作為換料機的主要組件，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的安全運行具有重要的作用。因此，還需對指形鉤進行詳細的局部強度分析。在目前我國核電結構評定主要參照ASME規(guī)范和RCC-M規(guī)范，本文依據(jù)RCC-M規(guī)范進行換料機結構計算和評定，輔吊部分則參考國家標準《GB/ T3811-2008起重機設計規(guī)范》。
地震工況主要包括2種，即異常工況LOBE)和事故工況(CSSE。頻譜分析法在設備抗地震分析中被廣泛采用，可確定結構上各危險點在整個地震歷程中最大的應力和內力，對于3個不同方向輸入的地震響應譜，采用SRSS C平方和開平方根方法進行組合，并在此基礎上考慮自重的最不利影響進行工況組合。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量的方法進行考慮。伸縮套筒的水阻力可采用Morison方程進行計算，其在地震工況下的附加質量則可采用Morison方程和Wester-gaard理論進行計算。本文均采用Morison方程對伸縮套筒的水阻力和附加質量進行計算。
本文針對中科華核電技術研究院自行設計的1000 MW大型壓水堆核電就換料機的結構特點，采用ANSYS有限元分析軟件進行建模，在正常運行、異常工況(OBE、事故工況CSSE )3種工況下進行了動力分析計算，并依據(jù)RCC-M規(guī)范進行支撐結構的安全評定。
換料機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。換料機安裝在反應堆RX廠房內，在反應堆換料水池上方進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構升降運動。對燃料組件的裝入、卸出和倒換操作需在12 m以下的水下進行。采用ANSYS對換料機進行了有限元建模，如圖所示。設定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。原點設在水平面，大車橋架中心處。計算模型主要采用梁單元，結構的總質量為25221 kg，燃料組件650 kg。對換料機在正常工況下進行結構響應計算可將其轉化為靜力分析，將啟動或制動加速度引起的慣性力、重力和浮力施加到結構上。對結構的地震響應計算采用頻譜分析法，地震荷載施加在基礎點，即大車車輪處。
對換料機進行動力分析和強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度條件。由于換料機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在運行中水的阻力，以及地震條件下水的附加質量。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。當小車處于大車的端部、1/4處和中部時，對換料機的強度分別進行了計算分析。本文以最危險情況，即小車處于大車中部時的情況為例進行強度評定。針對換料機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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