壓水堆核電廠循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)輕量化設計與可靠性研究

□曹文平

一、引言

壓水堆核電廠必須盡可能地保持連續(xù)運行，以實現(xiàn)利潤最大化，同時必須保證核安全，必須嚴格控制致命缺陷的發(fā)生，避免非計劃性的停機停堆事件。秦山二期擴建工程3/4#機組循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)采用了新型人字型結(jié)構進行了輕量化設計改進以減輕負荷，在降低制造運行成本的同時，期望可提高設備運行可靠性。鼓形濾網(wǎng)自運行以來，總體運行良好，但也出現(xiàn)了一些問題?，F(xiàn)象一：現(xiàn)場觀測其在循環(huán)水流沖擊下自轉(zhuǎn)速度超過了設備設計低轉(zhuǎn)速(5米/min),有時甚至超過其設計高轉(zhuǎn)速(16米/min)?，F(xiàn)場實際表現(xiàn)為鼓形濾網(wǎng)在運行時受到流場驅(qū)動，表現(xiàn)為本體大齒輪帶動電機小齒輪運轉(zhuǎn)，電機反而起到阻礙其運動的作用。現(xiàn)場觀測鼓形濾網(wǎng)轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速吻合，電機運行平穩(wěn)?，F(xiàn)象二：鼓形濾網(wǎng)運行兩個換料循環(huán)后，現(xiàn)場還產(chǎn)生了輪轂出現(xiàn)裂紋的缺陷。此缺陷的產(chǎn)生與前述運行機制改變是否有關聯(lián)，能否有辦法針對性進行改進，這種輕量化設計是否確實提高了設備運行的可靠性，需要從理論和工程實際兩方面來評估。

二、鼓形濾網(wǎng)的功能和參數(shù)

鼓形濾網(wǎng)是壓水堆核電站循環(huán)水系統(tǒng)取水部分的主要過濾設備。功能是將海水中經(jīng)格柵處理后的細小雜質(zhì)去除，以保證后續(xù)的水泵和傳熱設備的正常運行。主要參數(shù)如下：

型號： GWNS-19x5型

單機組數(shù)量： 2臺

介質(zhì)： 海水

水流方式： 網(wǎng)內(nèi)進水，網(wǎng)外出水

設計流量： 19m3/s

設計最大過網(wǎng)流速： 0.8m/s

鼓形濾網(wǎng)直徑： Φ19m

鼓形濾網(wǎng)寬度： 5m

鼓形濾網(wǎng)有效寬度： 3.958m

網(wǎng)孔孔徑： Φ4.2mm

網(wǎng)板線速度： 5/15m/min

極限設計水位差： 1.5m

低速運行水位差： ≤0.2m

高速運行水位差： >0.2m

第一次報警水位差： 0.3m

第二次報警水位差： 0.5m

安全等級： NC

規(guī)范等級： NA

質(zhì)保等級： Q3

抗震類別： NO

主要結(jié)構： 人字形

圖1 鼓形濾網(wǎng)骨架圖

三、鼓形濾網(wǎng)輕量化設計改進

秦山二期擴建鼓形濾網(wǎng)在設計上相對于秦山二期鼓形濾網(wǎng)有多達18項改進，通過提高設備本身的整體骨架設計并滿足相關的強度、剛度計算，從而降低了設備重量超過25%，有效降低了設備運行載荷，理論上在降低工程造價同時有利于提高設備可靠性。其中在結(jié)構上主要改進如表1所示。

四、鼓形濾網(wǎng)強度、剛度計算

對鼓形濾網(wǎng)進行有限元網(wǎng)格劃分，對輪轂和主橫梁使用位移三次插值實體模擬，以獲得高精度的應力。主軸、主輻條、副輻條、副橫梁、支撐梁I、支撐梁II、齒圈固定槽、邊框架、連接管、連接角鋼屬于細長型結(jié)構，使用六自由度的三維梁單元模擬就可以獲得很高的精度。主軸梁單元與輪轂殼單元的連接使用了剛平面假設位移約束方程的方法，以模擬實際情況。邊界條件為:主軸一端結(jié)點三個線位移固定，另一端結(jié)點兩個線位移固定(沿軸向線位移自由)。鼓形濾網(wǎng)材料的機械性能常數(shù)如表2所示，力學計算強度和剛度的主要結(jié)果如表3、圖2和圖3所示，證明了輕量化設計滿足力學要求。

表1 鼓形濾網(wǎng)主要改進項對照表

表2 鼓形濾網(wǎng)材料機械性能常數(shù)

表3 最大水壓力下工作工況下鼓形濾網(wǎng)主要部件應力

圖2 最大水壓力下工作工況鼓形濾網(wǎng)應力云圖

圖3 最大水壓力下工作工況鼓形濾網(wǎng)輪轂應力云圖

五、鼓形濾網(wǎng)自轉(zhuǎn)機理分析

鼓形濾網(wǎng)的運行受力主要由循環(huán)水泵運行吸力產(chǎn)生的流場驅(qū)動力、電機驅(qū)動力以及軸承等摩擦阻力組成，輕量化設計之后，其運轉(zhuǎn)方式在高低潮水位下運行受力情況發(fā)生了明顯的變化。由于人字形結(jié)構的設計，受吸力流場的影響以及設備重量減輕載荷的降低導致設備摩擦阻力變化，需要分析新設計鼓形濾網(wǎng)在運行工況下的受力導致鼓形濾網(wǎng)在低速運行時自運轉(zhuǎn)機制產(chǎn)生的原因。

(一)鼓形濾網(wǎng)高潮水位時受力計算。根據(jù)流道中流場定性分析，鼓形濾網(wǎng)在高潮水位時所受水流影響更大，因此只針對高潮水位時的受力情況進行計算：第一，按最高潮水位61.1m計算；第二，以其常用的低速轉(zhuǎn)動時線速度為5m/min的工況進行計算；第三，根據(jù)鼓網(wǎng)進水流道流場模擬出進水流速方向為15度；第四，對現(xiàn)場的一些具體條件進行了簡化處理，忽略設備本身對流場的影響、縮短進水口的流道長度、忽略網(wǎng)板厚度。

計算方法為：一是利用數(shù)值模擬方法，計算沒有鼓形濾網(wǎng)時的流場；二是利用繞流理論計算鼓形濾網(wǎng)主輻條、副輻條、主橫梁、副橫梁所受到的力矩，規(guī)定逆時針的力矩為負，順時針的力矩為正。

1.數(shù)值計算忽略鼓形濾網(wǎng)情況下的流場。采用k-ε紊流模型計算沒有鼓形濾網(wǎng)情況下的流場，水面采用VOF法處理。計算區(qū)域和計算網(wǎng)格如圖4所示，包括進口、腔體和出口，為了計算的需要，出口向x方向進行了延程。

圖4 鼓形濾網(wǎng)流道計算區(qū)域及網(wǎng)格

水面高度約為61.1m，經(jīng)過數(shù)值模擬，得到流道內(nèi)的流場，利用數(shù)值插值，得到輻條處中心點流場，如圖5所示。

2.計算水流作用于低轉(zhuǎn)速鼓形濾網(wǎng)的力矩。將鼓形濾網(wǎng)加入流場后，流場對其作用力矩主要影響主輻條、副輻條、主橫梁、副橫梁，其余結(jié)構件忽略不計,利用圓柱繞流公式計算橫梁和輻條每段上的水流作用力及作用力矩，計算時流場絕對速度改為相對鼓形濾網(wǎng)的速度。

Fd：力矩

CD：繞流系數(shù)

ρ:密度

U0：流速

A：截面積。

主輻條計算：以正下方主輻條起算記為第1根，將每根主輻條均分為10等分(第10、11、12根輻條露出水面部分除外)。人字型頭部夾角很小，在本計算中可忽略不計。人字型主輻條數(shù)量加倍，力矩需加倍。

副輻條計算：以第1根主輻條順時針方向的第一根副輻條為第1根副輻條。同理，將每根副輻條均分為10等分(第9、10、11、12根輻條露出水面部分除外)。

主橫梁、副橫梁計算：平行于水面，直接計算。計算結(jié)果如表4、表5所示。

圖5 水流速度矢量示意圖

表4 各部件力矩計算結(jié)果

表5 各部件力矩計算結(jié)果與相關參數(shù)匯總

(二)鼓形濾網(wǎng)其他受力分析。鼓形濾網(wǎng)還受到摩擦阻力：鼓網(wǎng)邊與邊墻摩擦阻力、主軸軸承、盤根等的摩擦阻力。一般情況下，這部分阻力相對于水流場對鼓網(wǎng)的影響較小。以鼓形濾網(wǎng)滾動軸承力矩為例來說明：鼓形濾網(wǎng)的主軸軸承型號：SKF24148CCK30/W33，查閱SKF軸承手冊，摩擦系數(shù)為0.0018。

根據(jù)單個軸承摩擦力矩公式M=uPd/2

M:摩擦力矩

u:摩擦系數(shù)

P：軸承負荷

d：軸承公稱直徑

計算得M=uPd/2=0.002×(66450*9.8/2)*0.24/2=79N·m，兩端軸承則總阻力矩為158N·m。由于其他摩擦阻力更小忽略后得到設備所受的全力為：-2310.778+158=-2153(N·m)，由此可判斷流場是影響鼓形濾網(wǎng)運行機制的主要因素。

六、鼓形濾網(wǎng)運行可靠性研究

(一)鼓形濾網(wǎng)缺陷分析。3/4#機組鼓形濾網(wǎng)的運行機制變化會導致其在兩種模式下多次轉(zhuǎn)換，特別是在臨界水位，會額外增加骨架疲勞應力。對比分析秦山二期工程兩臺機組初始運行的5個周期，統(tǒng)計分析鼓形濾網(wǎng)的現(xiàn)場缺陷如表6所示。

表6 CRF鼓形濾網(wǎng)運行前5年缺陷統(tǒng)計

從表6可以看出，3/4#機組針對1/2#機組實施輕量化設計后并針對網(wǎng)片增強后，鼓網(wǎng)在骨架和網(wǎng)片的缺陷得到了大幅消除，特別是骨架強度、剛度得到了有效提高，實現(xiàn)了0缺陷。但同時由于鼓網(wǎng)的運行方式在不同潮水位時運行機制變化，對鼓網(wǎng)的受力產(chǎn)生了交替變化，對輪轂、安全銷和緊固件產(chǎn)生了不利的疲勞影響，輪轂的缺陷有所增加。綜合來看，輕量化設計后鼓形濾網(wǎng)的可靠性確實有效提升，通過對輪轂等相對薄弱的部位實施針對性改造，則可進一步提升設備可靠性。

(二)鼓形濾網(wǎng)輪轂改造后運行情況。3/4#機組其中兩臺設備在兩個大修循環(huán)運行后出現(xiàn)輪轂裂紋，現(xiàn)場陸續(xù)對4臺設備進行了改造，設計壽命40年：305大修對3CRF202TF進行輪轂改進加固；306大修對3CRF201TF進行輪轂改進加固；401大修對4CRF201/202TF進行輪轂改進加固；

在全部4臺鼓形濾網(wǎng)改造后，運行至今，輪轂再未出現(xiàn)同樣的問題，設備可靠性進一步提高。

七、結(jié)語

秦山二期擴建工程3/4#機組循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)運行以來，由于其輕量化的人字形結(jié)構設計，一方面有效提高了鼓形濾網(wǎng)骨架強度、剛度，極大降低了荷載和主軸相關摩擦付磨損；另一方面由于骨架繞流面積增加，設備在外部水位條件影響下，運轉(zhuǎn)機制輪換受交變力影響增加疲勞應力。通過統(tǒng)計分析改進后的設備可靠性得到了提升，特別是在進一步針對薄弱部分改進后，如輪轂加強、齒輪材質(zhì)提升、螺栓緊固方式提升后，設備可靠性得到了進一步改善。

鼓形濾網(wǎng)的輕量化設計，一是減少了工程造價(材料節(jié)省、電機運行能耗節(jié)約)，二是對設備的運行可靠性起到了積極的作用。通過本文分析，特針對性提出設計建議：一是改變?nèi)俗中沃鬏棗l、副輻條、主橫梁、副橫梁的材質(zhì)，在保持強度、剛度的前提下，減小體積。二是改變?nèi)俗中沃鬏棗l、副輻條、主橫梁、副橫梁的形狀以減小繞流面積，在保持強度、剛度的前提下，減小體積。三是改變輪轂材料、結(jié)構等設計，提高其安全系數(shù)。

通過以上措施，有望消除鼓形濾網(wǎng)交變運行機制，減少疲勞沖擊。這些措施建議可提供給相關設備廠家參考，在后續(xù)設計中積極開展實踐驗證工作，進一步提高核電設備設計生產(chǎn)技術水平。