嚴重事故工況高溫環(huán)境下爆破閥藥筒驅(qū)動裝置可用性研究

包堂堂，周強強，顧春輝，張志超，樂秀輝（上海核工程研究設(shè)計院，上?！?00233）

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嚴重事故工況高溫環(huán)境下爆破閥藥筒驅(qū)動裝置可用性研究

包堂堂，周強強，顧春輝，張志超，樂秀輝
（上海核工程研究設(shè)計院，上海200233）

摘要：本文利用通用流體計算軟件，建立了爆破閥傳熱模型，采用穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)求解器對AP1000型核電廠正常工況和嚴重事故工況下的爆破閥傳熱過程進行了計算與研究。計算過程中實時監(jiān)測藥筒壁面最高溫度隨時間的變化，計算結(jié)果為驗證爆破閥在嚴重事故工況下的可用性提供了理論依據(jù)。研究結(jié)論如下：正常工況下，藥筒壁面最高溫度約為75℃；嚴重事故工況下，閥體表面與空氣的對流換熱系數(shù)分別采用10、50及100 W·m-2·K-1三種條件進行計算，藥筒壁面最高溫度分別達到95.7℃、124.8℃及154.8℃。計算結(jié)果表明，嚴重事故期間，藥筒壁面最高溫度不超過160℃，不會對爆破閥所用火藥性能產(chǎn)生重大影響。

關(guān)鍵詞：爆破閥；嚴重事故；傳熱；可用性

首次引入AP1000非能動壓水堆核電廠的爆破閥是執(zhí)行非能動堆芯冷卻的關(guān)鍵設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、零泄漏、流通能力好、可靠性高、維護方便等優(yōu)點，能夠滿足核電廠正常運行和事故工況下堆芯冷卻回路對該閥門的功能要求［1-3］。

爆破閥的重要性在于其所承擔(dān)的功能：在核電廠正常運行時，閥門保持零泄漏；在事故情況下，能夠按照要求可靠地開啟。爆破閥的特殊性在于它是火工驅(qū)動的閥門：在閥門的驅(qū)動方式、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計分析方法、制造工藝、試驗與鑒定等方面，與常規(guī)核電閥門有著本質(zhì)區(qū)別。

爆破閥的首次應(yīng)用性、重要性和特殊性為其“賦予”了一系列技術(shù)難點，如爆破閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其驗證技術(shù)、藥筒驅(qū)動裝置的設(shè)計及其驗證技術(shù)、爆破閥的可靠性評價技術(shù)。其中，在CAP1400型核電廠相關(guān)技術(shù)文件中要求爆破閥在嚴重事故工況下可用，實現(xiàn)系統(tǒng)對其功能的要求。核電廠嚴重事故是指超出設(shè)計基準(zhǔn)事件之外，導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯嚴重損壞，并危及多層或所有用于防止放射性物質(zhì)釋放的屏障的完整性，從而造成環(huán)境放射性污染，造成巨大損失的事故［4］。嚴重事故現(xiàn)象可能會導(dǎo)致非常惡劣的高溫的安全殼環(huán)境，并且由于安全殼內(nèi)可燃氣體的濃度較高，可能發(fā)生局部或整體燃燒，給設(shè)備安全性帶來額外的挑戰(zhàn)［5］。

爆破閥動作原理如下：在點火器接收到規(guī)定的點火指令信號后起爆，引爆藥筒內(nèi)推進劑（火藥），產(chǎn)生高溫高壓氣體，將拉力螺栓拉斷，驅(qū)動活塞加速向下運動，至行程末階段沖擊剪斷流道處密閉的剪切蓋，且剩余能量由緩沖組件吸收，從而驅(qū)動閥門至全開位置［6，7］。從爆破閥的工作原理中可以看出，藥筒內(nèi)火藥能否在規(guī)定時間點被引爆是實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵因素之一。因此，需要分析在嚴重事故工況下，環(huán)境溫度的升高是否會導(dǎo)致爆破閥藥筒部分的溫度過度升高，使火藥失效或者引發(fā)火藥自燃，從而導(dǎo)致爆破閥誤開啟。

本文利用通用流體計算軟件STAR CCM+，建立了爆破閥傳熱模型，對嚴重事故下爆破閥的傳熱過程進行計算，并對計算結(jié)果進行了分析與討論，為驗證爆破閥在嚴重事故下的可用性提供了理論依據(jù)。

1　計算模型介紹

1.1幾何模型處理

圖1-a為爆破閥幾何模型，為了便于計算網(wǎng)格模型的建立以及后續(xù)分析工作的開展，特對幾何模型進行如下簡化處理：（1）去除螺栓、螺母、螺柱等“凸出”部件；（2）采用幾何修補技術(shù)，對去除上述部件后在閥體及閥蓋等部件處產(chǎn)生的孔洞進行修補；（3）去除零部件邊緣的倒角，同時對零件表面進行“光滑（smooth）處理”，消除微小結(jié)構(gòu)差異。經(jīng)過處理后的幾何模型如圖1-b所示，可見經(jīng)處理后的幾何模型表面更加“平滑”，便于后續(xù)數(shù)值模擬工作的開展。

圖1　幾何模型簡化處理Fig.1 Geometricmodel simplification

1.2計算網(wǎng)格模型及邊界條件介紹

計算網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格劃分技術(shù)進行劃分，總計約480000個計算單元，如圖2所示。

圖2　計算網(wǎng)格Fig.2 Computational Grid

相較于傳統(tǒng)四面體或六面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格有更多的相鄰單元，對于梯度計算和當(dāng)?shù)亓鲃宇A(yù)測更加準(zhǔn)確；多面體對幾何的變形沒有四面體敏感，通過采用智能網(wǎng)格處理工具，可使單元實現(xiàn)自動融合、分裂等功能；相同幾何尺寸下多面體網(wǎng)格數(shù)量約為四面體網(wǎng)格數(shù)的五分之一，但計算精度相當(dāng)，同時其收斂速度、趨勢更優(yōu)于傳統(tǒng)四面體網(wǎng)格［8，9］。爆破閥閥體及閥蓋采用奧氏體不銹鋼制造而成，爆破閥結(jié)構(gòu)參數(shù)及所用材料性能參數(shù)見表1。

表1　爆破閥材料及有關(guān)參數(shù)Table 1 Material and its related parameters

爆破閥前端連接核電廠一回路高溫冷卻劑，根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件，在正常工況下入口處可能會出現(xiàn)的最高溫度為321℃，因此在本文計算中將此溫度設(shè)置為閥門入口端溫度。同時爆破閥所處環(huán)境溫度為49℃，穩(wěn)態(tài)計算（正常工況）條件下，閥體表面與空氣的換熱系數(shù)采用自然對流下?lián)Q熱系數(shù)［10］的最大值10 W·m-2·K-1。在爆破閥經(jīng)歷嚴重事故工況之前，本文先采用穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對正常工況下的爆破閥溫度場分布進行了計算。

2　計算結(jié)果分析

2.1穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果

圖3-a為初始化后的溫度場分布圖，圖3-b為計算收斂后穩(wěn)態(tài)溫度場分布圖。計算過程中對藥筒壁面的最高溫度進行實時監(jiān)測和輸出，監(jiān)測壁面位置如圖4所示（去除閥蓋）。穩(wěn)態(tài)計算過程中，藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)的變化如圖5所示。

圖3　穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.3 Distribution of steady temperature field

由圖可知，隨著迭代次數(shù)的增加，熱量從閥門入口端慢慢傳遞至爆破閥其余部件，同時由于爆破閥表面和環(huán)境氣體存在對流換熱的過程，閥體各部位溫度逐漸趨于穩(wěn)定值。從藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)的變化曲線可知，當(dāng)?shù)綌?shù)超過500步以后，隨著迭代步數(shù)的繼續(xù)增加，藥筒壁面最高溫度不發(fā)生顯著變化，可認為計算結(jié)果收斂，此時藥筒壁面最高溫度約為70.6℃。

圖4　監(jiān)測壁面示意圖Fig.4 Diagram of Monitor Wall

圖5　藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)的變化Fig.5 The variation of the maximum temperatures of cartridge wall with iterations

2.2嚴重事故工況下的計算結(jié)果（瞬態(tài)）

在穩(wěn)態(tài)計算收斂的基礎(chǔ)上，考察嚴重事故工況對爆破閥藥筒壁面最高溫度的影響。其中嚴重事故工況下環(huán)境溫度包絡(luò)線如圖6所示，將該溫度曲線作為閥體周圍環(huán)境的初始邊界條件，利用瞬態(tài)求解器，計算嚴重事故時間段內(nèi)，藥筒壁面最高溫度隨時間的變化。

通常來說，空氣在自然對流的條件下與金屬壁面的對流換熱系數(shù)約為1～10 W·m-2·K-1，而在嚴重事故工況下，考慮到可能會發(fā)生氫氣燃燒導(dǎo)致空氣流動加劇，空氣與閥體表面可能會以強制對流的形式進行換熱。而氣體強制對流［11］條件下，對流換熱系數(shù)大致在20～100 W·m-2·K-1之間。由于無法測定嚴重事故工況下，氣體和閥體表面的真實對流換熱系數(shù)，分別采用10、50 及100 W·m-2·K-1三種對流換熱系數(shù)進行計算，以包絡(luò)真實工況下的對流換熱系數(shù)值，計算結(jié)果如圖7所示。

圖6　嚴重事故工況下環(huán)境溫度包絡(luò)線Fig.6 Ambient temperature envelope under severe accident condition

圖7　嚴重事故工況下藥筒壁面最高溫度隨時間變化Fig.7 The variation of the maximum temperatures of cartridge wall with time under severe accident condition

由圖7可知，隨著嚴重事故曲線的加載，藥筒壁面最高溫度逐步上升，在對流換熱系數(shù)為10、50及100 W·m-2·K-1的條件下，嚴重事故期間，藥筒壁面最高溫度分別為95.7℃、124.8℃及154.8℃。雖然嚴重事故曲線中的最高點溫度可達700℃左右，但由于高溫持續(xù)時間相對較短，因此在對流換熱系數(shù)為10 W·m-2·K-1的計算工況下，嚴重事故曲線下的兩個溫度波峰的沖擊并沒有對藥筒壁面溫度產(chǎn)生顯著影響，在整個嚴重事故時間內(nèi)藥筒壁面溫度都呈現(xiàn)比較平緩的上升趨勢。而在對流換熱系數(shù)為50及100 W·m-2·K-1的計算工況下，由于環(huán)境氣體和閥體表面換熱速度較快，從圖中可以看到兩個溫度波峰的沖擊對藥筒壁面溫度產(chǎn)生了較為顯著的影響，分別在3 000 s（第一個溫度波峰）和8 000 s（第二個溫度波峰）附近位置出現(xiàn)了藥筒壁面溫度最高溫度急劇上升的兩個區(qū)域。

2.3加密網(wǎng)格后計算結(jié)果介紹

在上述計算的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)格模型進行加密，主要對與空氣接觸的閥體表面部位以及零部件配合部位進行加密，以消除微小結(jié)構(gòu)差異對計算結(jié)果的影響。加密后網(wǎng)格模型總計約2 170 000個計算單元，如圖8所示。

采用與本文上述類似的計算方法，對加密后的爆破閥網(wǎng)格模型進行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的溫度場計算。其中穩(wěn)態(tài)工況下藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)變化曲線如圖9所示；瞬態(tài)工況（嚴重事故工況）下藥筒壁面最高溫度隨時間變化曲線如圖10所示。

由圖可知，正常工況下藥筒壁面溫度為75.9℃，而在嚴重事故工況下，對流換熱系數(shù)分別為10、50及100 W·m-2·K-1的三種計算條件下，藥筒壁面最高溫度分別為98.1℃、141.2℃及159.6℃。相對于加密前的計算網(wǎng)格模型，溫度略有上升，但變化不大（增幅在10%之內(nèi)）。

3　結(jié)論

根據(jù)本文計算結(jié)果，在嚴重事故工況下，藥筒壁面最高溫度不超過160℃。目前CAP1400型核電廠爆破閥所用火藥或根據(jù)國外配方研制，或由國內(nèi)研究機構(gòu)獨立研制而成［12，13］，所有種類火藥的熱分解溫度［14］均在250℃以上，僅有一種火藥的相變溫度［15］低于160℃，需要進一步考察該火藥在160℃下的性能變化情況。由于本文計算所用假設(shè)條件偏于保守，另外，根據(jù)相關(guān)專業(yè)的計算分析結(jié)果顯示，嚴重事故工況下，爆破閥表面的水蒸氣可能會出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，而水滴的蒸發(fā)過程會帶走一部分閥體熱量，這會阻礙藥筒壁面溫度的升高。綜合考慮各因素的影響，初步可以推測，在嚴重事故工況下，并不會對爆破閥火藥的性能產(chǎn)生重大影響，爆破閥藥筒驅(qū)動裝置在嚴重事故工況下基本可以實現(xiàn)其設(shè)計功能。下一步還需繼續(xù)研究驅(qū)動裝置所用電氣接插件能否經(jīng)受嚴重事故工況的考驗，以論證爆破閥整機在嚴重事故工況下的可用性。

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Study on Availability of Cartridge Drive Device of Squib Valve in High Temperature Condition under Severe Accident

BAOTangtang，ZHOUQiangqiang，GUChunhui，ZHANGZhichao，LE Xiuhui
（Shanghai Nuclear Engineering Researchand Design Institute，Shanghai200233，China）

Abstract：The heat transfer model of squib valve was established using general purpose computational fluid dynamics（CFD）code in this paper. The heat transfer process of squib valve under normal condition and severe accident condition was calculated and studied by using steady-state and transient solver. The max temperature of cartridge wall was monitored in real time，the calculation results provided theoretical basis for squib valve availability under severe accident condition. The main conclusions were as follows：the max temperature of cartridge wall under normal condition was about 75℃；The convective heat transfer coefficients used in this calculation were 10，50 and 100 W·m-2·K-1respectively，the max temperatures of cartridgewallinaccordancewiththisthreecalculationconditionswere 95.7℃，124.8℃and 154.8℃respectively. The calculation results showed that the max temperature of cartridge wall under severe accident condition was less than 160℃，which shall not have a significant impact on the squib valve propellant performance.

Keywords:squib valve；severe accident；heat transfer；availability

中圖分類號：TL48

文章標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5360（2016）01-0038-05

收稿日期：2015-09-17修回日期：2015-10-23

基金項目：國家科技重大專項—核電泵、閥、電氣設(shè)備及測量儀表研制，項目編號2012ZX06002-015

作者簡介：包堂堂（1986—），男，浙江東陽人，工程師/博士，現(xiàn)主要從事動力機械及工程/現(xiàn)主要從事核設(shè)備設(shè)計工作