VVER-1000機(jī)組反應(yīng)堆燃料組件振動測量及分析

周正平

(中國核電江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222042)

田灣核電站一期工程建設(shè)兩臺單機(jī)容量100萬千瓦級的俄羅斯VVER-1000型壓水堆核電機(jī)組。按照俄方規(guī)范NP-064-05(Accounting of external natural and man-made effects on nuclear energy facilities)要求，核能設(shè)施在調(diào)試階段應(yīng)考慮安全重要系統(tǒng)和部件的動態(tài)特性。因此，在田灣核電站一期工程調(diào)試期間，安裝了一套臨時(shí)啟動調(diào)試測量系統(tǒng) (SAMS系統(tǒng))，該系統(tǒng)分為6個(gè)測量部分，分別測量堆內(nèi)構(gòu)件流致振動、燃料組件流致振動、反應(yīng)堆振動噪聲、反應(yīng)堆設(shè)備部件溫度和應(yīng)力、反應(yīng)堆設(shè)備部件壓力脈動和控制棒拔插力。為實(shí)測燃料組件流致振動，機(jī)組正式裝料前，在模擬燃料組件上安裝臨時(shí)測量設(shè)備，測量不同工況下的數(shù)據(jù)，檢查其是否滿足設(shè)計(jì)要求，并對燃料組件的安全性和可靠性進(jìn)行分析和評估。

1 燃料組件振動監(jiān)測方法

在機(jī)組冷態(tài)功能試驗(yàn)和熱態(tài)功能試驗(yàn)期間，每臺機(jī)組反應(yīng)堆堆芯中安裝163組模擬燃料組件，與正常核燃料組件結(jié)構(gòu)完全一致，并裝有流量、壓力 (壓降)、溫度以及振動等測量裝置，可對反應(yīng)堆運(yùn)行狀況和物理計(jì)算提供實(shí)測數(shù)據(jù)，其中三組模擬燃料組件為振動診斷燃料組件，其堆芯坐標(biāo)分別為05-32、08-29和12-35，見圖1。振動診斷燃料組件上安裝了壓力脈動傳感器和加速度傳感器，用于監(jiān)測該組燃料組件進(jìn)出口壓力脈動和燃料棒束、導(dǎo)向管的振動情況，每組燃料組件上的傳感器的布置位置見圖2。

圖1 堆芯振動診斷模擬燃料組件布置圖Fig.1 Layout of vibration-diagnostic simulators in the reactor core

圖2 模擬燃料組件傳感器布置圖Fig.2 Layout of the initial transducers on fuel assembly simulators

田灣核電站1、2號機(jī)組反應(yīng)堆冷態(tài)功能試驗(yàn)和熱態(tài)功能試驗(yàn)期間，通過已布置的傳感器，測量、記錄各種原始信號。共對85種不同工況下進(jìn)行了測量，包括機(jī)組的不同狀態(tài) (壓力、溫度)、主泵運(yùn)行的不同組合、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài) (主泵啟停工況)。

記錄設(shè)備實(shí)時(shí)記錄各傳感器信號，并根據(jù)傅立葉變換，確定記錄信號的自功率譜，譜處理在頻率范圍0～100 Hz范圍內(nèi)進(jìn)行，分辨率為0.25 Hz。

2 驗(yàn)收準(zhǔn)則和試驗(yàn)結(jié)果

對于SAMS系統(tǒng)中各項(xiàng)試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則，是依據(jù)俄羅斯同類機(jī)組先期調(diào)試、運(yùn)行積累的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而制定。調(diào)試期間對于燃料組件的振動監(jiān)測，設(shè)計(jì)院提供的參考驗(yàn)證值見表1。

表1 燃料組件振動監(jiān)測參考值列表Table 1 The reference values for fuel assembly vibration monitoring

式中，峰值標(biāo)準(zhǔn)為測量波形信號中的單峰值，總值標(biāo)準(zhǔn)為0～100 Hz范圍內(nèi)通頻均方根值，頻率標(biāo)準(zhǔn)為頻譜中的最大均方根幅值。

通過所有工況下進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，1、2號機(jī)組模擬燃料組件壓力脈動和振動加速度實(shí)測結(jié)果均滿足參考值要求。例如，1號機(jī)組模擬燃料組件上實(shí)測的壓力脈動最大峰值A(chǔ)mp為10 kPa，總值GS為2.8 kPa，頻率幅值FS為1.36 kPa，位于模擬燃料組件上管座底板。

3 共振分析

由于冷卻劑沖擊而導(dǎo)致的模擬燃料組件振動為寬帶振動，其特征和穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動相似，并帶有離散頻率成分，該離散頻率成分來自于主泵運(yùn)行產(chǎn)生的受迫振動，主要頻率成分為16.7 Hz(主泵旋轉(zhuǎn)頻率)、33.3 Hz、66.6Hz和99.9 Hz(主泵葉輪通過頻率)。

燃料組件一般的共振頻率位于4～25 Hz，其主要共振頻率成分為4.8、7.5、11.6 Hz。如果某一振源的頻率和燃料組件固有頻率重合或接近，將引起燃料組件的劇烈振動，從而造成燃料組件的磨損甚至破裂。

根據(jù)俄羅斯規(guī)范ПНАЭГ-7-002-86附錄8[1]中的要求，對于燃料組件的前三階固有頻率和離散的激勵(lì)頻率應(yīng)滿足:

式中:Ωi——第i階固有振動頻率，Hz;

ω——激勵(lì)頻率，Hz。

對于更高階的固有振動頻率，如果存在高頻振動激勵(lì)，其滿足條件為:

模擬燃料組件的主要振源來自于反應(yīng)堆堆內(nèi)冷卻劑的流動波動，通過一期工程調(diào)試期間監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，波動譜中的主要成分為主泵運(yùn)行產(chǎn)生的離散頻率分量 (旋轉(zhuǎn)頻率、葉片頻率和它們的諧波16.7 Hz，33.3 Hz，66.6 Hz，99.9 Hz)和主回路冷卻劑的聲駐波 (最典型的頻率范圍為7.5～14.5 Hz)。

可見，燃料組件主要的固有振動頻率值(4.8，7.5，11.6 Hz)和主泵產(chǎn)生的離散激勵(lì)頻率成分 (16.7 Hz，33.3 Hz，66.6 Hz，99.9 Hz)相避開，而且裕量很大。

4 燃料組件碰撞評估

為了避免運(yùn)行期間燃料組件間的互相碰撞，根據(jù)俄羅斯規(guī)范ПНАЭГ-7-002-86附錄8[1]中的要求，應(yīng)滿足如下條件:

其中:A——部件的最大振動位移幅值，mm;

t——定位隔架柵元中心距，mm，t=12.75 mm;

d——燃料元件橫截面尺寸，mm，d=9.1 mm。

SAMS系統(tǒng)中采用加速度振動傳感器，測量其振動加速度值，評估時(shí)由加速度值轉(zhuǎn)換到位移值，第i階振動位移幅值為:

根據(jù)SAMS系統(tǒng)試驗(yàn)測量，其結(jié)果見下表。從表中可以看出，在瞬態(tài)工況下 (主泵啟停時(shí))燃料組件中各元件振動位移幅值最大，為0.57 mm，滿足＜1.83 mm防碰撞要求。

對于1號機(jī)組，根據(jù)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下的燃料元件振動位移，其相鄰元件間的碰撞評估見表2。

表2 1號機(jī)組燃料元件碰撞評估Table 2 Collision assessment for fuel element of Unit 1

5 燃料組件疲勞損傷分析

根據(jù)線性累積疲勞損傷假設(shè)，燃料組件疲勞損傷因子應(yīng)滿足:

式中:Ni——i階頻率下的載荷循環(huán)數(shù)。在組件4年壽內(nèi)期循環(huán)數(shù)為:

ai——i階頻率下的疲勞損傷因子;

[a]——允許疲勞損傷因，[a]=0.8。

每個(gè)頻率下允許的應(yīng)力幅值根據(jù)以下公式確定:

γ——考慮壓力脈動、堆內(nèi)構(gòu)件表面上應(yīng)力分布的不規(guī)則和應(yīng)力集中而引入的系數(shù)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取γ=10;

nσ——安全系數(shù)，取nσ=2;

[N]——允許載荷循環(huán)數(shù)。

由此，得到允許載荷循環(huán)數(shù)和應(yīng)力幅值間的關(guān)系式為:

根據(jù)振動加速度測量結(jié)果，進(jìn)行振動強(qiáng)度評估，采用下列假定:

在0～160 Hz的頻率范圍內(nèi)，僅存在燃料組件前五階橫向振動;

在大于160 Hz的頻率范圍內(nèi)，僅存在燃料元件的一階橫向振動;

考慮到以上假定，且根據(jù)簡單的受均布載荷梁彎曲理論，i階頻率應(yīng)力幅值為:

式中:E——燃料包殼材料的彈性模量，MPa，當(dāng)T=300℃，E=7.62×104 MPa;

l——當(dāng)f＜160 Hz時(shí)為燃料組件上下間距，此時(shí)l=3820 mm;當(dāng)f≥160 Hz時(shí)為燃料組件相鄰隔間的距離;

n——振動半波數(shù)目，對于燃料組件整體，n保守取值為:

·當(dāng)0＜fi≤12.5 Hz，n=1;

·當(dāng)12.5≤fi＜32.5 Hz，n=2;

·當(dāng)32.5≤fi＜62.5 Hz，n=3;

·當(dāng)62.5≤fi＜102.5 Hz，n=4;

·當(dāng)102.5≤fi＜165 Hz，n=5;

對于燃料元件，在fi＞160 Hz，n=1。

對于1號機(jī)組，模擬燃料元件的疲勞損傷計(jì)算見表3。

表3 1號機(jī)組燃料元件最大疲勞損傷評估Table 3 Assessment of maximum fatigue damage of fuel element of Unit 1

6 結(jié)論

通過對模擬燃料組件的監(jiān)測，測量了其調(diào)試期間不同工況下的壓力脈動、振動加速度值，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析表明，模擬燃料元件的疲勞損傷滿足規(guī)范要求[1];在所有監(jiān)測的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下，相鄰燃料元件間的振動不會導(dǎo)致碰撞，且有足夠的裕量。試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)模擬燃料組件異常振動，其振動水平和特征和同類型參考電站的振動水平和特征相接近，滿足設(shè)計(jì)要求。