蒸汽發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)可靠性研究

鐘林秀 施永兵 蔣運(yùn)友

上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233

正文：

1.引言

在AP1000設(shè)計(jì)中，蒸汽發(fā)生器垂直支撐（以下簡稱SG垂直支撐）采用了單根立柱支撐，與我國二代加核電站的四根立柱組成的一套SG垂直支撐設(shè)計(jì)有較大差異，且AP1000的蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)堆冷卻劑泵的組合體的重量全部由此單根立柱承受[1][2]，整個SG垂直支撐承載要求大大提高。為了研究SG垂直支撐的可靠性，特別是支座三片不同厚度的支耳板的承壓穩(wěn)定性及應(yīng)力分配合理性，驗(yàn)證在超過設(shè)計(jì)規(guī)定載荷2倍的D級載荷下，是否存在結(jié)構(gòu)破壞和失穩(wěn)。因此，有必要對AP1000的SG垂直支撐設(shè)計(jì)一套合理的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)件，來對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證分析，進(jìn)一步理解其設(shè)計(jì)理念，確保設(shè)計(jì)可靠性及擁有一定的安全裕度。

2.試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)要求

SG垂直支撐在運(yùn)行工況下，為蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆冷卻劑泵提供支撐，承受沿支撐軸向的載荷，同時(shí)允許蒸汽發(fā)生器因反應(yīng)堆冷卻劑回路熱脹而產(chǎn)生的緩慢移動和微小位移。為合理考察SG垂直支撐在運(yùn)行工況下的結(jié)構(gòu)可靠性，本試驗(yàn)應(yīng)能：1）模擬SG垂直支撐承受沿支撐軸向的載荷；2）模擬反應(yīng)堆壽期內(nèi)因熱脹造成的垂直支撐擺動；3）模擬SG垂直支撐由于安裝誤差造成的支座支耳與支撐桿軸線間的偏角；4）模擬影響SG垂直支撐性能的重要環(huán)境條件，包括高溫、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（以下簡稱DBA）化學(xué)環(huán)境。

2.2 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

按照AP1000的SG垂直支撐設(shè)計(jì)方案分別設(shè)計(jì)制造1：4及1：5的試驗(yàn)件，各兩個，試驗(yàn)件分別命名為A4、A5。要求：1） 試驗(yàn)件的上、下支座應(yīng)與SG垂直支撐一樣，均采用三片支耳形式，試驗(yàn)件立柱兩端的叉形連接件采用兩片支耳結(jié)構(gòu)。2） 試驗(yàn)件的上、下支座與叉形連接件采用銷軸連接。連接高溫端的為上支座，連接常溫端的為下支座。3） 上述部位按比例要求設(shè)計(jì)，其它部位按強(qiáng)度、剛度和與試驗(yàn)裝置連接要求設(shè)計(jì)。如圖2.2所示。4） 試驗(yàn)件的支座、叉形連接件、銷軸材料與AP1000一致，見表2.2。

圖2.2 A4A5試驗(yàn)件

表2.2 A4A5試驗(yàn)件零件材料表

2.3 試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)2.1節(jié)的功能要求，蒸汽發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)臺架由如下零部件組成：軸向恒定載荷輸出裝置——GL-1250J型試驗(yàn)臺架（1）、鋼梁（2）、徑向液壓缸支座（3）、兩個蒸汽發(fā)生器垂直支撐試驗(yàn)件（4）、臺架銷頭（5）、偏裝限位裝置——可調(diào)拉撐桿（6）、中間聯(lián)結(jié)裝置（7）、加熱裝置（8）、擺動驅(qū)動裝置——徑向液壓缸（9）。詳見圖2.3.1。

蒸汽發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)臺架工作方案為：1） 利用中間聯(lián)結(jié)裝置將兩個試驗(yàn)件串聯(lián)。兩個串聯(lián)的試驗(yàn)件一端與臺架固定，作為固定端；另一端與載荷輸出裝置固定，作為拉、壓載荷的加載端。2） 中間聯(lián)結(jié)裝置的豎向側(cè)面連接偏裝限位裝置，模擬垂直支撐的偏裝情況，如圖2.3.2所示。3） 中間聯(lián)結(jié)裝置橫向側(cè)面裝配擺動驅(qū)動裝置，控制擺動位移，模擬垂直支撐受熱脹影響的循環(huán)擺動。如圖2.3.3所示。4） 中間聯(lián)結(jié)裝置上裝有加熱裝置和溫度測量裝置，模擬垂直支撐在使用工況下的溫度情況。

圖2.3.1 試驗(yàn)臺架布置示意圖

圖2.3.2 試驗(yàn)件偏裝示意圖（立面圖）

圖2.3.3 試驗(yàn)件橫向擺動示意圖（平面圖）

2.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

蒸汽發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)方案按表2.4執(zhí)行。

表2.4 試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則

應(yīng)變片粘貼在試驗(yàn)件支座上，參考支座有限元分析的應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行設(shè)置，如圖2.4.2所示。

圖2.4.1 A4A5應(yīng)變片粘貼示意圖

3 蒸汽發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 拉應(yīng)力、壓應(yīng)力及擺動試驗(yàn)

按2.4節(jié)試驗(yàn)方案的順序依次對A4、A5試驗(yàn)件進(jìn)行拉試驗(yàn)、壓試驗(yàn)和擺動試驗(yàn)，查看試驗(yàn)件的磨損和變形情況，結(jié)果如下。

圖3.1.1 試驗(yàn)件安裝圖

1） 根據(jù)應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)看出，在拉載荷試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力主要集中在銷軸孔附近均小于屈服應(yīng)力Sy，平均應(yīng)力小于0.45Sy，側(cè)面三個支耳板的應(yīng)力相近且遠(yuǎn)小于Sy，驗(yàn)證了支座的穩(wěn)定性。在壓載荷試驗(yàn)時(shí)，可明顯看出位置7、8、9、10（靠近底座處）的應(yīng)力比位置1、2、3、4處大，這與實(shí)際情況中銷軸的擠壓方向一致。且厚度比中間支耳板薄一半的側(cè)部支耳板未出現(xiàn)局部變形和屈曲現(xiàn)象。

2） 在擺動試驗(yàn)后拆下A4、A5試驗(yàn)件，觀察到銷軸可見明顯壓痕，A4銷軸壓痕的深度不超過0.02mm，A5銷軸壓痕的深度不超過0.03mm，寬度均同叉形連接件和支座支耳厚度，即銷軸與叉形連接件、支座的配合面發(fā)生磨損，如下圖所示。銷軸的壓痕深度小于銷軸的制造公差一個數(shù)量級，且該壓痕深度造成銷軸的抗剪截面積減小可忽略不計(jì)，所以試驗(yàn)后的銷軸磨損不影響其抗剪能力。

圖3.1.2 銷軸壓痕

3） 支座的銷軸孔未出現(xiàn)拉長變形，但可見明顯壓痕，A4支座銷軸孔壓痕深度不超過0.01mm，A5支座銷軸孔壓痕深度不超過0.02mm。支座銷軸孔的接觸面支承應(yīng)力未超過A工況的最大支承應(yīng)力0.9Sy[3]，也未超過D工況的最大支承應(yīng)力2.1Su[4]，所以壓痕不會由擠壓造成，可能是循環(huán)擺動時(shí)銷軸與配合面的磨損。且支座的壓痕深度小于支座的制造公差一個數(shù)量級，該深度對開孔拉應(yīng)力及支承應(yīng)力的影響可忽略不計(jì)，所以試驗(yàn)后的銷軸孔壓痕不影響其強(qiáng)度。

圖3.1.3 A5支座銷軸孔壓痕

4） A4叉形連接件的銷軸孔沿軸向被拉長，拉長的直徑不超過3.5mm，呈不規(guī)則橢圓形，A5叉形連接件的銷軸孔無明顯變形，如下圖所示。A5試驗(yàn)時(shí)的最大拉力為D級拉力，在試驗(yàn)前對其應(yīng)力評定知A5叉形連接件的拉應(yīng)力未超過許用應(yīng)力，故試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算一致。由于D級工況下允許部件變形，但不允許結(jié)構(gòu)破壞，所以A5叉形連接件沒有變形證明了該設(shè)計(jì)可靠且留有裕量。A4試驗(yàn)時(shí)的最大拉力為2倍的D級拉力，在試驗(yàn)前對其應(yīng)力評定知A4叉形連接件的拉應(yīng)力超過許用應(yīng)力，但未超過強(qiáng)度極限Su，故試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算一致，A4叉形連接件被拉長。

圖3.1.4 A4叉形連接件被拉長

3.2 硼酸浸泡試驗(yàn)

在3.1節(jié)A4、A5分別完成拉應(yīng)力、壓應(yīng)力及擺動測試試驗(yàn)之后，進(jìn)行試驗(yàn)件硼酸浸泡試驗(yàn)。將A4、A5試驗(yàn)件（僅高溫端）的銷軸連接部分浸入硼酸溶液中，按試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則表2.4執(zhí)行。24小時(shí)后，拿出試驗(yàn)件，用清水將硼酸殘留物沖洗干凈，然后用干凈的布擦干，再涂上保護(hù)油脂，防止試驗(yàn)件生銹。

試驗(yàn)件在經(jīng)歷硼酸浸泡后：叉形連接件表面產(chǎn)生大量的浮銹，由于材料的不同，銷軸和支座表面產(chǎn)生少量的浮銹。將硼酸殘留物沖洗干凈之后，用干凈的布輕輕擦拭即可去除試驗(yàn)件表面的浮銹。

3.3 硼酸浸泡后拉試驗(yàn)

將硼酸浸泡后的A4、A5試驗(yàn)件再次安裝到試驗(yàn)臺架上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，考察硼酸浸泡后試驗(yàn)件的可靠性和穩(wěn)定性。

試驗(yàn)后拆下A4、A5試驗(yàn)件，測量發(fā)現(xiàn)A4、A5試驗(yàn)件銷軸壓痕深度、支座銷軸孔壓痕深度比硼酸浸泡試驗(yàn)前稍有增加，采用3.1節(jié)相同分析知銷軸和支座的壓痕不影響其強(qiáng)度；A4、A5試驗(yàn)件叉形連接件均沿軸向被拉長，呈不規(guī)則橢圓形，這是由于試驗(yàn)拉力為2倍的D級拉力，拉長直徑不超過5.8mm，為可接受變形量?？梢娕鹚峤莺蟮腟G垂直支撐在超過設(shè)計(jì)規(guī)定載荷（2倍的D級拉力）的拉伸情況下，結(jié)構(gòu)僅發(fā)生局部可接受的變形，而未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，說明SG垂直支撐擁有足夠的安全裕度。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果小結(jié)

1） 試驗(yàn)件在試驗(yàn)后發(fā)生變形，銷軸可見明顯壓痕，寬度同叉形連接件和支座支耳厚度；叉形連接件銷軸孔軸向被拉長，呈不規(guī)則橢圓形；支座銷軸孔可見明顯壓痕。以上試驗(yàn)件變形不影響試驗(yàn)件的功能和結(jié)構(gòu)完整性。

2） 試驗(yàn)件高溫端和常溫端磨損對比無明顯差異；硼酸浸泡后表面產(chǎn)生浮銹，輕輕擦拭即可去掉，與硼酸前磨損無明顯差異。

3） 試驗(yàn)件的應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示：主要應(yīng)力集中在銷孔周圍，與力學(xué)計(jì)算一致，在工程應(yīng)用中可考慮適當(dāng)加強(qiáng)該處材料強(qiáng)度。

4.結(jié)論

本研究根據(jù)AP1000蒸汽發(fā)生器垂直支撐結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)和制造A4、A5試驗(yàn)件，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證分析。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件在經(jīng)歷了比D工況更為嚴(yán)酷的運(yùn)行條件后均未發(fā)生嚴(yán)重變形和可能影響其功能的損傷，證明了蒸汽發(fā)生器垂直支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，在超過設(shè)計(jì)規(guī)定載荷（2倍的D級拉力）的拉伸情況下，結(jié)構(gòu)僅發(fā)生局部可接受的變形，而未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，說明SG垂直支撐擁有足夠的安全裕度。通過該研究也總結(jié)出一套驗(yàn)證剛性支撐桿結(jié)構(gòu)可靠性的試驗(yàn)方案及試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)方案，也適用于電力行業(yè)中其他管道用剛性支撐桿的最大偏裝角度測量、擺動磨損量測量等。