分體式新燃料組件干式貯存架設(shè)計研究

谷明非++青濤++雍涇++彭航++馮琳娜

摘 要：分體式新燃料組件干式貯存架主要用于反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的吊掛貯存，安裝在新燃料貯存間內(nèi)，采用U型鋼結(jié)構(gòu)，三面靠墻的布局方案，提高了貯存架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性。其基體材料為碳鋼，表面涂層材料為奧氏體不銹鋼，不污染新燃料組件，可長時間免維護(hù)，兼顧了強(qiáng)度、制造工藝和耐腐蝕性能的要求。由于采用分體模塊化結(jié)構(gòu)，便于分散制造，集中組裝，在不破壞整體結(jié)構(gòu)的情況下，通過增加新的貯存模塊，提高貯存燃料組件數(shù)量，具有占地面積小、安全可靠、操作方便、制造成本低，便于生產(chǎn)制造、安裝、調(diào)試等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆 換料 新燃料組件 貯存架

中圖分類號：TL3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0025-04

Research of the Split-type Unirradiated Fuel Assembly Dry Storage Rack

GU Ming fei QING Tao YONG Jing PENG Hang FENG Lin na

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Sichuan Chengdu，610041）

Abstract：the split-type unirradiated fuel assembly dry storage rack is used to hang and keep the unirradiated fuel assembly before during refueling.It is installed in the fuel storage room，adopts U-type steel，and its three faces is against the wall.This layout can enhance structural strength and antiknock characteristic.The basis material of the rack is carbon steel；the coating is austenitic stainless steel， so the unirradiated fuel assembly can avoid being contaminated.This design meets the strength， process and corrosion resisting requirements，and no maintenance is needed for long time.The split and modularized structure avails to disperse manufacturing and centralize assembly.The amount of the storage module is enhanced without breaking the whole structure and layout.This storage rack has the characteristics of small floor space，good safety，convenient operation and low manufacturing cost，and is easy to manufacture， install and debug.

Key words：reactor refueling unirradiated fuel assembly storage rack

分體式新燃料組件干式貯存架（以下簡稱貯存架）主要用于反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的吊掛貯存，安裝在新燃料貯存間內(nèi)，采用U型結(jié)構(gòu)布局，三面靠墻，通過強(qiáng)力膨脹螺栓與貯存間的地面和墻體連接，提高了貯存架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性。其基體材料為碳鋼，表面涂層材料為奧氏體不銹鋼，兼顧了強(qiáng)度、制造工藝和耐腐蝕性能的要求，不污染新燃料組件。新燃料組件采用一體式吊掛方式即將吊掛工具（新燃料組件操作工具）與燃料組件一起吊掛在貯存架上，貯存架具備合理的結(jié)構(gòu)，在可能出現(xiàn)的事故工況下，均能安全、可靠地實(shí)現(xiàn)新燃料組件貯存。

目前國內(nèi)外已經(jīng)有類似貯存架產(chǎn)品，但是存在土建工作量大或者吊掛操作困難、抗震性差等不足之處，因此利用先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，材料技術(shù)研制一種更高效、可靠的貯存架實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的吊掛貯存，是十分必要的。

該文設(shè)計的貯存架，較好地滿足了反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的吊掛貯存要求，該貯存架的研制完成和投入使用，較好地滿足了工程任務(wù)的需求，對于核電設(shè)備國產(chǎn)化有著重要的意義。

1 國內(nèi)外情況概述

國內(nèi)外一般有兩種結(jié)構(gòu)的新燃料貯存架，一種為貯存管式即新燃料貯存架采用貯存小室（貯存管）方式，在貯存小室的頂部設(shè)有導(dǎo)向口，與小室貯腔之間平滑過渡，且腔體內(nèi)表面光滑，保證了當(dāng)?shù)踹\(yùn)新燃料組件在貯存小室上方就位時，新燃料組件能夠順利安全地插入貯存小室中，可以方便地垂直裝卸新燃料組件，并且不會發(fā)生故障或燃料組件破損危險；下部構(gòu)件和混凝土基礎(chǔ)臺，作為承重基礎(chǔ)支撐整個貯存，常用于地坑安裝方式（見圖1）。

該貯存格架的缺點(diǎn)是：該結(jié)構(gòu)土建工程量大，占用面積大，貯存小室為封閉結(jié)構(gòu)，清潔、檢查困難，新燃料組件存放或者吊離貯存格架時需要準(zhǔn)確對中，且易與貯存小室內(nèi)壁擦掛，增加操作難度，新燃料組件采用坐底貯存方式，結(jié)構(gòu)件受力大，對燃料組件安放水平度和垂直度要求高，不利于新燃料組件的長期存放。安裝位置低不具備防水淹功能。

另一種結(jié)構(gòu)是貯存架由成對的背靠背的貯存單元排列組成，燃料組件被安放在一個貯存單元上（或者吊掛在掛鉤上），有的燃料組件也是采用這種貯存方式（見圖2）。endprint

該貯存架的缺點(diǎn)是：新燃料組件采用坐底貯存方式，結(jié)構(gòu)件受力大，對燃料組件安放水平度和垂直度要求高，不利于新燃料組件的長期存放。安裝位置低不具備防水淹功能。整個貯存架僅底部與地面連接，重心高，抗振動、抗搖擺能力弱。

2 關(guān)鍵技術(shù)

本貯存架需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個：

（1）基于穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計的分體式設(shè)計技術(shù)；

（2）耐腐蝕金屬涂層技術(shù)。

3 研制方案及技術(shù)途徑

3.1 研制方案

通過國內(nèi)、外貯存架調(diào)研分析，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境、工作進(jìn)度等實(shí)際情況及以往燃料組件貯存架設(shè)計、制造經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的貯存要求，開展新型燃料組件方案論證，確定了貯存架設(shè)計方案即采用鋼結(jié)構(gòu)分體式方案，首先由制造廠完成結(jié)構(gòu)單元的制造，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場組裝。

3.2 穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計

穩(wěn)健設(shè)計（也稱為魯棒設(shè)計、健壯設(shè)計等），是在日本學(xué)者田口玄一提出的三次設(shè)計法[1-3]上發(fā)展起來的、低成本、高穩(wěn)定性的產(chǎn)品設(shè)計方法，致力于提高流程或產(chǎn)品的可靠性，它通過調(diào)整設(shè)計變量及控制其容差使可控因素和不可控因素當(dāng)與設(shè)計值發(fā)生變差時仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種工程方法，即通過穩(wěn)健設(shè)計[4]，可以使產(chǎn)品的性能對各種噪聲因素的不可預(yù)測的變化，擁有很強(qiáng)的抗干擾能力，產(chǎn)品性能將保持穩(wěn)定和可靠。

本貯存架基于Autodesk Inventor三維設(shè)計軟件建立三維數(shù)字樣機(jī)，以機(jī)械桁架設(shè)計、有限元分析、可靠性設(shè)計、穩(wěn)健設(shè)計為核心，運(yùn)用成熟的計算機(jī)圖形技術(shù)，將產(chǎn)品各零部件的設(shè)計和分析集成在一起，完成基于計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究平臺，根據(jù)理論計算分析結(jié)果及與已證實(shí)的類似設(shè)計比較，優(yōu)化貯存架的結(jié)構(gòu)形式及各部件的布置方式，模擬檢查貯存架的裝配和安裝仿真過程，完成貯存架的設(shè)計。

3.3 技術(shù)路線

貯存架是一個U形框架鋼結(jié)構(gòu)件，主要由槽鋼、角鋼焊接而成，表面采用不銹鋼耐腐蝕涂層，可以分解為小尺寸單元部件進(jìn)行組裝和運(yùn)輸。操作人員利用吊車將新燃料組件連同組件吊具吊運(yùn)至貯存架的某個懸掛點(diǎn)，然后將吊掛在貯存架上（見圖3）。

3.3.1 一體式吊掛方式

采用一體式吊掛方式貯存新燃料組件，即首先使用吊掛工具（新燃料組件操作工具）與燃料組件鎖緊連接，然后將吊掛工具（新燃料組件操作工具）與燃料組件一起吊掛在貯存架上，由于新燃料組件距離地面高度較高，具備防水淹、防磕碰功能，提高了安全性。

3.3.2 6σ穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計

穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計主要采用減小響應(yīng)偏差的方法來滿足約束條件。穩(wěn)健設(shè)計是將6σ質(zhì)量管理[5-7]、可靠性設(shè)計和穩(wěn)健設(shè)計相結(jié)合的一種現(xiàn)代設(shè)計方法，它要求產(chǎn)品質(zhì)量在均值6σ范圍波動時，均能滿足設(shè)計要求。實(shí)質(zhì)是將可靠性設(shè)計和基于容差模型的穩(wěn)健設(shè)計[8-9]相結(jié)合，達(dá)到減小目標(biāo)函數(shù)值，降低目標(biāo)函數(shù)對不確定性因素的敏感性，即使目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)均方差減小，實(shí)現(xiàn)“均值達(dá)到目標(biāo)”和“均方差最小化”的目的。一般來說，穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計要達(dá)到2個目的：

（1）使產(chǎn)品質(zhì)量特性的均值盡可能達(dá)到目標(biāo)值。

（2）使由干擾因素引起的性能波動的方差盡可能小。

因此，工程設(shè)計中穩(wěn)健設(shè)計模型為雙目標(biāo)優(yōu)化問題，數(shù)學(xué)模型為：

當(dāng)時，即為6σ穩(wěn)健設(shè)計[10]。與常規(guī)確定性優(yōu)化方法相比，6σ穩(wěn)健設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，加入了目標(biāo)和約束條件的標(biāo)準(zhǔn)差。該方法不但能尋找到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，而且還使得目標(biāo)對設(shè)計參數(shù)變得不敏感。對于各約束，加入約束函數(shù)和設(shè)計參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，可使得最優(yōu)點(diǎn)在搜索的過程中遠(yuǎn)離約束邊界，提升為6σ水平，以有效地增大可靠度[10]，然而，設(shè)計參數(shù)的可行域也隨之而減小范圍。因此，要適當(dāng)擴(kuò)大設(shè)計參數(shù)可行域，就有必要在目標(biāo)函數(shù)中加入約束條件的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.3.3 設(shè)計流程

設(shè)計流程如下：

（1）確定設(shè)計區(qū)域，選擇合適的設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束函數(shù)等其他邊界條件。

（2）結(jié)構(gòu)離散化，進(jìn)行有限元分析，獲取目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)及設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)變化的敏度信息。

（3）根據(jù)得到的信息，用合適的優(yōu)化，計算出當(dāng)前的設(shè)計變量的新值。

（4）根據(jù)終止準(zhǔn)則判斷優(yōu)化結(jié)果是否收斂，如果不收斂，重復(fù)（2）到（4），如果收斂，則終止迭代。

（5）可靠穩(wěn)健后處理，得到最優(yōu)的形式。

圖4給出了可靠性穩(wěn)健設(shè)計設(shè)計的基本流程。

3.3.4 結(jié)構(gòu)單元設(shè)計

貯存架如圖5所示，由槽鋼焊接組成的鋼架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)材料奧氏體不銹鋼，要求分別在結(jié)構(gòu)體積不變條件下尋找具有最大剛度的強(qiáng)度指標(biāo)和結(jié)構(gòu)。初始設(shè)計空間的有限元模型如圖5所示。

3.3.5 結(jié)構(gòu)單元優(yōu)化結(jié)果

采用Autodesk Inventor設(shè)計分析模塊進(jìn)行可靠穩(wěn)健計算，優(yōu)化迭代20次后得到優(yōu)化結(jié)果。迭代20次后，結(jié)構(gòu)的趨于平穩(wěn)，同時材料由奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9（屈服強(qiáng)度205 MPa）更改為碳鋼Q235表面熱噴涂奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9（屈服強(qiáng)度235 MPa），即此時的貯存架強(qiáng)度較初步設(shè)計提高30%。如圖6所示。

3.3.6 不銹鋼耐腐蝕涂層技術(shù)

在碳鋼（槽鋼或者角鋼）基體上，采用熱噴涂工藝涂覆一層奧氏體不銹鋼耐腐蝕涂層，涂層分為鎳基合金底層和奧氏體不銹鋼表層兩個部分，該結(jié)構(gòu)綜合了碳鋼成本低，加工性能好及不銹鋼涂層表面硬度高（熱噴涂后），耐磕碰、耐腐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)，特別是對燃料組件無污染，維護(hù)量少，其多方面性能優(yōu)于常規(guī)刷涂油漆工藝（見圖7）。

3.3.7 貯存架優(yōu)化設(shè)計

貯存架采用基于穩(wěn)健可靠性優(yōu)化技術(shù)的U型分體式結(jié)構(gòu)布局，三面靠墻，并采用強(qiáng)力膨脹螺栓與地面和墻體連接，使之與房屋結(jié)合為一體，提高了貯存架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性，較好地利用了現(xiàn)場條件，適應(yīng)了現(xiàn)場環(huán)境。如圖8所示。endprint

4 貯存架性能指標(biāo)

在貯存架制造過程中根據(jù)質(zhì)保體系、產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝要求，通過對生產(chǎn)條件的控制（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等因素）、關(guān)鍵工序的控制、計量和檢驗(yàn)的控制、不合格品的控制，確保了貯存架的制造質(zhì)量，產(chǎn)品性能指標(biāo)如下：

（1）貯存架重量：約11 t；

（2）貯存新燃料組件的能力：40組（可以根據(jù)需要增加）；

（3）設(shè)計使用壽命：30年（免維護(hù)）。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 負(fù)載試驗(yàn)

對貯存架40個吊勾，進(jìn)行了250 kg，6 h負(fù)載試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)吊勾連接牢固、結(jié)構(gòu)完整、無變形、松脫、出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，滿足技術(shù)要求。

5.2 吊裝試驗(yàn)

用起吊設(shè)備將模擬燃料組件在40個吊掛位置進(jìn)行吊裝試驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，吊裝試驗(yàn)運(yùn)行，操作正常、方便順利，無故障現(xiàn)象，吊裝試驗(yàn)試結(jié)果全部滿足技術(shù)要求。

6 工程應(yīng)用

進(jìn)行了新燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)以及新燃料組件吊掛貯存在新燃料組件干式貯存架上工作，經(jīng)過現(xiàn)場檢查合格，完全滿足設(shè)計和貯存技術(shù)要求。

7 結(jié)語

（1）通過貯存架的試驗(yàn)和工程應(yīng)用，證明貯存架設(shè)計方案和采用的制造工藝路線是正確合適的，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，開創(chuàng)了國內(nèi)分體式貯存架研究和應(yīng)用先例。

（2）穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計及虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，縮短了設(shè)計、試驗(yàn)周期，大大減少了試驗(yàn)成本，同時提高自主設(shè)計開發(fā)能力，推動了數(shù)字化、信息化設(shè)計在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

（3）由于采用分體模塊化結(jié)構(gòu)，便于分散制造，集中組裝，在不破壞整體結(jié)構(gòu)的情況下，通過增加新的貯存模塊，提高貯存燃料組件數(shù)量，具有占地面積小、安全可靠、操作方便、制造成本低，便于生產(chǎn)制造、安裝、調(diào)試等特點(diǎn)。

（4）不銹鋼耐腐蝕涂層技術(shù)具有耐腐蝕性好、不污染燃料組件、可長時間免維護(hù)，受到使用單位的好評，同時為海洋大氣環(huán)境下提高大型鋼結(jié)構(gòu)件耐腐蝕性能，提供了工程案例和經(jīng)驗(yàn)，具有較廣泛的軍用、民用市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Taguchi G.Introduction to quality engineering：designing quality into products and processes[M].Asian Productivity Organization，Tokyo，1986.

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[8] 李玉強(qiáng)，崔振山，阮雪榆，等.6σ概率設(shè)計優(yōu)化方法及其應(yīng)用[J].中國工程機(jī)械，2004，15（21）：1916-1919.endprint

4 貯存架性能指標(biāo)

在貯存架制造過程中根據(jù)質(zhì)保體系、產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝要求，通過對生產(chǎn)條件的控制（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等因素）、關(guān)鍵工序的控制、計量和檢驗(yàn)的控制、不合格品的控制，確保了貯存架的制造質(zhì)量，產(chǎn)品性能指標(biāo)如下：

（1）貯存架重量：約11 t；

（2）貯存新燃料組件的能力：40組（可以根據(jù)需要增加）；

（3）設(shè)計使用壽命：30年（免維護(hù)）。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 負(fù)載試驗(yàn)

對貯存架40個吊勾，進(jìn)行了250 kg，6 h負(fù)載試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)吊勾連接牢固、結(jié)構(gòu)完整、無變形、松脫、出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，滿足技術(shù)要求。

5.2 吊裝試驗(yàn)

用起吊設(shè)備將模擬燃料組件在40個吊掛位置進(jìn)行吊裝試驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，吊裝試驗(yàn)運(yùn)行，操作正常、方便順利，無故障現(xiàn)象，吊裝試驗(yàn)試結(jié)果全部滿足技術(shù)要求。

6 工程應(yīng)用

進(jìn)行了新燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)以及新燃料組件吊掛貯存在新燃料組件干式貯存架上工作，經(jīng)過現(xiàn)場檢查合格，完全滿足設(shè)計和貯存技術(shù)要求。

7 結(jié)語

（1）通過貯存架的試驗(yàn)和工程應(yīng)用，證明貯存架設(shè)計方案和采用的制造工藝路線是正確合適的，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，開創(chuàng)了國內(nèi)分體式貯存架研究和應(yīng)用先例。

（2）穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計及虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，縮短了設(shè)計、試驗(yàn)周期，大大減少了試驗(yàn)成本，同時提高自主設(shè)計開發(fā)能力，推動了數(shù)字化、信息化設(shè)計在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

（3）由于采用分體模塊化結(jié)構(gòu)，便于分散制造，集中組裝，在不破壞整體結(jié)構(gòu)的情況下，通過增加新的貯存模塊，提高貯存燃料組件數(shù)量，具有占地面積小、安全可靠、操作方便、制造成本低，便于生產(chǎn)制造、安裝、調(diào)試等特點(diǎn)。

（4）不銹鋼耐腐蝕涂層技術(shù)具有耐腐蝕性好、不污染燃料組件、可長時間免維護(hù)，受到使用單位的好評，同時為海洋大氣環(huán)境下提高大型鋼結(jié)構(gòu)件耐腐蝕性能，提供了工程案例和經(jīng)驗(yàn)，具有較廣泛的軍用、民用市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[8] 李玉強(qiáng)，崔振山，阮雪榆，等.6σ概率設(shè)計優(yōu)化方法及其應(yīng)用[J].中國工程機(jī)械，2004，15（21）：1916-1919.endprint

4 貯存架性能指標(biāo)

在貯存架制造過程中根據(jù)質(zhì)保體系、產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝要求，通過對生產(chǎn)條件的控制（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等因素）、關(guān)鍵工序的控制、計量和檢驗(yàn)的控制、不合格品的控制，確保了貯存架的制造質(zhì)量，產(chǎn)品性能指標(biāo)如下：

（1）貯存架重量：約11 t；

（2）貯存新燃料組件的能力：40組（可以根據(jù)需要增加）；

（3）設(shè)計使用壽命：30年（免維護(hù)）。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 負(fù)載試驗(yàn)

對貯存架40個吊勾，進(jìn)行了250 kg，6 h負(fù)載試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)吊勾連接牢固、結(jié)構(gòu)完整、無變形、松脫、出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，滿足技術(shù)要求。

5.2 吊裝試驗(yàn)

用起吊設(shè)備將模擬燃料組件在40個吊掛位置進(jìn)行吊裝試驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，吊裝試驗(yàn)運(yùn)行，操作正常、方便順利，無故障現(xiàn)象，吊裝試驗(yàn)試結(jié)果全部滿足技術(shù)要求。

6 工程應(yīng)用

進(jìn)行了新燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)以及新燃料組件吊掛貯存在新燃料組件干式貯存架上工作，經(jīng)過現(xiàn)場檢查合格，完全滿足設(shè)計和貯存技術(shù)要求。

7 結(jié)語

（1）通過貯存架的試驗(yàn)和工程應(yīng)用，證明貯存架設(shè)計方案和采用的制造工藝路線是正確合適的，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，開創(chuàng)了國內(nèi)分體式貯存架研究和應(yīng)用先例。

（2）穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計及虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，縮短了設(shè)計、試驗(yàn)周期，大大減少了試驗(yàn)成本，同時提高自主設(shè)計開發(fā)能力，推動了數(shù)字化、信息化設(shè)計在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

（3）由于采用分體模塊化結(jié)構(gòu)，便于分散制造，集中組裝，在不破壞整體結(jié)構(gòu)的情況下，通過增加新的貯存模塊，提高貯存燃料組件數(shù)量，具有占地面積小、安全可靠、操作方便、制造成本低，便于生產(chǎn)制造、安裝、調(diào)試等特點(diǎn)。

（4）不銹鋼耐腐蝕涂層技術(shù)具有耐腐蝕性好、不污染燃料組件、可長時間免維護(hù)，受到使用單位的好評，同時為海洋大氣環(huán)境下提高大型鋼結(jié)構(gòu)件耐腐蝕性能，提供了工程案例和經(jīng)驗(yàn)，具有較廣泛的軍用、民用市場應(yīng)用前景。

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