控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震支承裝置材料國(guó)產(chǎn)化研究

王慶田，何培峰，慕殿鵬

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

目前，我國(guó)在建的核電廠除了二代改進(jìn)型堆型外，還有從美國(guó)引進(jìn)的AP1000核電技術(shù)和從法國(guó)引進(jìn)的EPR核電技術(shù)。長(zhǎng)期以來，由于堆型不同，采用的標(biāo)準(zhǔn)體系不同（主要有RCC-M和ASME兩種設(shè)計(jì)制造運(yùn)行體系），導(dǎo)致我國(guó)的核電制造與運(yùn)行體系沒能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通過引進(jìn)吸收，實(shí)現(xiàn)我國(guó)設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)和運(yùn)行與國(guó)際接軌，是國(guó)家核電發(fā)展的重要組成部分，而實(shí)現(xiàn)核島設(shè)備材料的國(guó)產(chǎn)化就是其中的一項(xiàng)。由于國(guó)外的材料技術(shù)體系、生產(chǎn)質(zhì)保體系以及材料類別與國(guó)內(nèi)材料體系有很大不同，給材料的國(guó)產(chǎn)化帶來一定的困難，所以必須結(jié)合我國(guó)核電發(fā)展的特點(diǎn)，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震支承裝置材料的國(guó)產(chǎn)化問題加以解決。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與功能

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）抗震支承裝置位于反應(yīng)堆壓力容器頂部，其功能是在假設(shè)的地震工況下限制控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的過度變形以維持其正常功能，保證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在事故工況下的功能完整性。CRDM抗震支承裝置主要包括：CRDM抗震支承組件、CRDM抗震板組件和CRDM抗震拉桿預(yù)埋件。CRDM抗震支承組件見圖1。CRDM抗震支承裝置屬于安全相關(guān)級(jí)設(shè)備（LS級(jí)），S1級(jí)支承件，抗震Ⅰ類、質(zhì)保等級(jí)為Q2級(jí)。由于CRDM抗震支承裝置處于反應(yīng)堆一回路的外圍，受到的輻射計(jì)量較小，加上其屬于非承壓設(shè)備，所以易于實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

圖1 CRDM抗震支承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram for CRDM seismic support

2 設(shè)計(jì)要求

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋上，能根據(jù)反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的指令，驅(qū)動(dòng)控制棒組件在堆芯內(nèi)上、下運(yùn)動(dòng)，保持控制棒組件在指令高度或斷電落棒，完成反應(yīng)堆啟動(dòng)、調(diào)節(jié)功率、安全停堆和事故停堆的功能。尤其是在事故工況下，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆安全可靠的停堆至關(guān)重要。而CRDM的抗震支承裝置提供的地震情況下的抗震支承功能，對(duì)于核電站的安全運(yùn)行同樣不可缺少。CRDM抗震支承裝置的設(shè)計(jì)壽命為40年，其工作環(huán)境見表1?？紤]到可能遇到的地震載荷，抗震拉桿起到固定、支承、扶持抗震支承環(huán)的作用，設(shè)計(jì)要求的抗震拉桿的載荷為：OBE（操作基準(zhǔn)地震工況）：40×104N，SSE（沖擊停堆地震工況）：50×104N。

表1 CRDM抗震支承裝置的工作環(huán)境Table 1 Work environment of CRDM seismic support

3 材料國(guó)產(chǎn)化

在核電廠建設(shè)中，核電裝備造價(jià)占總投資的50%左右，因此，實(shí)現(xiàn)核電裝備自主化具有重要意義。核電發(fā)達(dá)國(guó)家利用技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，形成了對(duì)世界核電主要設(shè)備市場(chǎng)的壟斷。核電裝備制造難度大，又涉及多種學(xué)科、多項(xiàng)技術(shù)的集成，代表著行業(yè)的較高水平。目前，我國(guó)的核電國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)得到提高，秦山一期的國(guó)產(chǎn)化為55%，嶺澳一期的國(guó)產(chǎn)化為30%，嶺澳二期1號(hào)機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化為50%、2號(hào)機(jī)組為70%，而秦山二期擴(kuò)建工程3號(hào)機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化率為77%。

目前，核島設(shè)備用材料基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，比如壓力容器用的大鍛件、蒸汽發(fā)生器用的大鍛件、堆內(nèi)構(gòu)件用的大鍛件。此外，堆內(nèi)構(gòu)件用奧氏體不銹鋼板材也實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并開始用于遼寧紅沿河核電站4號(hào)機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件吊籃筒體的制造。與核島一回路的核心設(shè)備相比，CRDM抗震支承裝置材料的國(guó)產(chǎn)化更易于實(shí)現(xiàn)。從秦山二期擴(kuò)建工程和嶺澳二期工程開始，國(guó)內(nèi)開始了CRDM抗震支承裝置用材料的國(guó)產(chǎn)化實(shí)踐，見表2。根據(jù)母材的牌號(hào)，按照焊材的選取原則，結(jié)合國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在不低于設(shè)計(jì)要求的前提下，CRDM抗震支撐裝置用焊接材料也相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，見表3。國(guó)產(chǎn)牌號(hào)母材和焊接材料與國(guó)外牌號(hào)的化學(xué)成分對(duì)比分別見表4和表5。國(guó)產(chǎn)牌號(hào)母材和焊接材料與國(guó)外牌號(hào)的力學(xué)性能對(duì)比表分別見表6和表7。

材料國(guó)產(chǎn)化的原則是盡可能采用與國(guó)外牌號(hào)相對(duì)應(yīng)的國(guó)產(chǎn)材料，比如，國(guó)外的碳鋼材料相應(yīng)的替換為國(guó)產(chǎn)的碳鋼或低合金鋼材料，國(guó)外的不銹鋼材料替換為相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)不銹鋼材料。對(duì)于沒有相應(yīng)牌號(hào)的材料，在綜合考慮結(jié)構(gòu)受力等因素的前提下，采取強(qiáng)度匹配原則，并盡可能的減少材料的種類，同時(shí)還要考慮到經(jīng)濟(jì)性。對(duì)比國(guó)產(chǎn)和國(guó)外牌號(hào)母材和焊材的化學(xué)成分，主要差異為國(guó)外牌號(hào)的材料對(duì)于雜質(zhì)元素S、P、Cu、Ni、Cr等含量的控制更為嚴(yán)格。

表2 主要材料牌號(hào)對(duì)比表Table 2 Contrast of main material

表3 主要焊接材料牌號(hào)國(guó)產(chǎn)化Table 3 Localization of the main welding materials

表4 主要母材化學(xué)成分對(duì)比表Table 4 Contrast of the chemical requirement for metal material

表5 主要焊接材料化學(xué)成分對(duì)比表Table 5 Contrast of the chemical requirements for welding material

表6 主要母材力學(xué)性能對(duì)比表Table 6 Contrast of the mechanical properties for metal material

表7 主要焊接材料力學(xué)性能對(duì)比表Table 7 Contrast of the mechanical properties for welding material

4 力學(xué)分析

抗震支承環(huán)的功能的主要通過抗震支承裝置上的拉桿、抗震環(huán)、立柱和CRDM上的抗震板來實(shí)現(xiàn)，

5根拉桿把抗震支承環(huán)和堆坑壁上的錨固掛鉤連接，3根立柱把抗震支承環(huán)和頂蓋吊耳連接。抗震支承環(huán)的載荷及許用應(yīng)力分別見表8和表9所示。

根據(jù)國(guó)產(chǎn)化的材料牌號(hào)，分別查得相應(yīng)得Sy（材料的屈服強(qiáng)度）和Su（材料的抗拉強(qiáng)度），進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果顯示，錨固掛鉤、拉桿組件、鉸支座、立柱以及抗震支承環(huán)在OBE及SSE工況下的應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 CRDM抗震支承環(huán)的最大載荷Table 8 Maximal load of CRDM seismic support

表9 CRDM抗震支承環(huán)的許用應(yīng)力Table 9 Allowable stress of CRDM seismic support

5 結(jié)論

通過對(duì)比分析國(guó)外牌號(hào)母材和焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能，在滿足結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，核島設(shè)備CRDM抗震支承裝置實(shí)現(xiàn)了全部結(jié)構(gòu)材料的國(guó)產(chǎn)化。對(duì)結(jié)構(gòu)材料國(guó)產(chǎn)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，分析結(jié)果顯示，采用的國(guó)產(chǎn)化母材和焊材的抗震支承裝置的結(jié)構(gòu)性能，滿足設(shè)計(jì)要求，并應(yīng)用到秦山二期擴(kuò)建工程、遼寧紅沿河核電站、福建福清核電站和方家山核電工程。