堆內(nèi)構(gòu)件能量吸收器長(zhǎng)度加工公式的優(yōu)化

戴長(zhǎng)清，宋毅明，王麗平

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

AP1000核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件共有4個(gè)能量吸收器，裝在堆內(nèi)構(gòu)件底部二次堆芯支撐組件中[1](見(jiàn)圖1)。它由支撐柱、緩沖套筒及外殼組成(見(jiàn)圖2)。

圖1 堆內(nèi)構(gòu)件二次堆芯支撐組件Fig.1 Secondary core support assembly of reactor vessel internals

在堆芯下落與壓力容器底部撞擊瞬間，能量吸收器內(nèi)緩沖套筒瞬間進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，將大部分沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為塑性變形能，從而對(duì)壓力容器底部的撞擊力大幅度降低[2]。因此，能量吸收器在堆芯突然發(fā)生跌落事故時(shí)起到緩沖，大幅降低對(duì)壓力容器底部的撞擊力，防止因壓力容器破損而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

圖2 能量吸收器半剖面Fig.2 Half section of energy absorber

能量吸收器原設(shè)計(jì)的加工公式是基于零件理論長(zhǎng)度的，未考慮加工制造、組裝、壓力容器球底的不平、測(cè)量誤差等因素，易造成間隙不滿足要求。本文對(duì)原加工公式進(jìn)行了修正，對(duì)新的加工公式對(duì)能量吸收器長(zhǎng)度的影響進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，有必要對(duì)原設(shè)計(jì)公式進(jìn)行優(yōu)化，以保證安裝結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，可為后續(xù)同類(lèi)項(xiàng)目堆內(nèi)構(gòu)件安裝提供借鑒。

1 間隙要求

堆內(nèi)構(gòu)件底板和反應(yīng)堆壓力容器球底的熱態(tài)計(jì)算間隙為16.28 mm。如圖1所示，對(duì)應(yīng)冷態(tài)下間隙為26.9 mm。為保證安裝滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求，減輕事故工況堆芯跌落對(duì)反應(yīng)堆壓力容器的沖擊力，應(yīng)保證安裝完后的堆內(nèi)構(gòu)件底板和反應(yīng)堆壓力容器球底間隙小于26.9 mm，同時(shí)間隙下限應(yīng)確使熱態(tài)下堆內(nèi)構(gòu)件底板不會(huì)與反應(yīng)堆壓力容器球底接觸。因此，能量吸收器的長(zhǎng)度并不在工廠預(yù)先加工好。而是散件發(fā)貨，放到現(xiàn)場(chǎng)加工。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)能量吸收器中的支撐柱長(zhǎng)度加工后，將其與緩沖套筒、外殼三者組對(duì)焊接成為一個(gè)整體。

2 加工公式及存在的問(wèn)題

加工公式的構(gòu)成為總體安裝高度減去各零部件高度(除能量吸收器支撐柱外)。

在堆內(nèi)構(gòu)件就位到反應(yīng)堆壓力容器后，將底板平放到反應(yīng)堆壓力容器球底(調(diào)平好)。測(cè)量得到堆芯支撐下板到底板之間的距離H值。H減去二次堆芯支撐柱、渦流抑制板的長(zhǎng)度以及能量吸收器中的G值，再減去26.9 mm，即為能量吸收器中導(dǎo)向柱長(zhǎng)度的加工后長(zhǎng)度。加工公式為：

L=H-G-936 mm(西屋標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)公式)。

其中936 mm是指二次堆芯支撐柱，渦流抑制板的設(shè)計(jì)厚度再加上26.9 mm(預(yù)留26.9 mm的間隙)。

上述西屋的標(biāo)準(zhǔn)加工公式是基于設(shè)備完全按照?qǐng)D紙尺寸制造的情況，剛好能保證堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值正好為26.9 mm。但是設(shè)備制造和安裝存在公差，且可能存在不符合項(xiàng)，容易造成最終的安裝間隙不滿足1中最大間隙要求。如下方面的問(wèn)題，容易使最終的安裝間隙不滿足要求。

(1)制造尺寸與圖紙理論尺寸的有一定差別，特別是當(dāng)有不符合項(xiàng)發(fā)生時(shí)。

(2)反應(yīng)堆壓力容器球底非絕對(duì)球形，且有堆焊層，導(dǎo)致底板和球底之間存在不均勻間隙。

(3)焊接收縮以及其他不確定性因素影響，如測(cè)量誤差及測(cè)量溫差等。

3 優(yōu)化過(guò)程

SM1、HY1和SM2在前面機(jī)組的基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了不同程度的優(yōu)化。表1總結(jié)了三個(gè)機(jī)組所采取公式的變化過(guò)程。SM1和HY1分別進(jìn)行了兩次改進(jìn)，其中HY1的改進(jìn)公式是在SM1改進(jìn)公式基礎(chǔ)上優(yōu)化得到。SM2總結(jié)SM1和HY1的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采取了HY1的改進(jìn)公式。表2總結(jié)了這些公式之間參數(shù)輸入量之間的差別。

表1 能量吸收器加工公式的優(yōu)化

Table 1 Modification for the energy absorber
machining formula

機(jī)組公式APP標(biāo)準(zhǔn)公式L=H-G-936SM1第一次修改L=H-G-934.6SM1改進(jìn)公式L=H-L1-L2-G-(26.9-0.38)+SmaxHY1第一次修改L=H-G-935.6HY1改進(jìn)公式L=H-L1-L2-G-(26.9-2.54)+SmaxSM2改進(jìn)公式L=H-L1-L2-G-(26.9-2.54)+Smax

表2 公式中各參數(shù)值的輸入來(lái)源比較

3.1 針對(duì)制造尺寸與圖紙理論尺寸的差別或偏離的改進(jìn)

二次堆芯支撐柱長(zhǎng)度±0.08 mm，渦流抑制板的厚度公差為±0.5 mm。因此組裝好的長(zhǎng)度偏離可達(dá)0.08+0.5=0.58 mm。在二次堆芯支撐柱和渦流抑制板在都滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，極限情況下堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值可比26.9 mm大0.58 mm。

SM1和HY1的渦流抑制板因?yàn)橹圃觳环享?xiàng)其厚度與設(shè)計(jì)值就分別小了2 mm和1 mm多。為此，針對(duì)這種情況西屋一開(kāi)始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)公式進(jìn)行了修改，見(jiàn)表1中的SM1和HY1的第一次修改公式。

為消除到貨尺寸與圖紙尺寸的差別，SM1、HY1和SM2的改進(jìn)公式中，設(shè)計(jì)尺寸全部換成實(shí)際到貨尺寸。即將936 mm換成L1+L2，其中L1是指二次堆芯支撐柱的實(shí)際到貨長(zhǎng)度，L2為渦流抑制板的實(shí)際厚度。

3.2 針對(duì)反應(yīng)堆壓力容器球底不平因素影響的改進(jìn)

反應(yīng)堆壓力容器球形底封頭整體鍛造而成，制造公差為(0，+1.5 mm)。內(nèi)部堆焊有5.6 mm厚的奧氏體不銹鋼。堆焊層的最小厚度要求僅為3.2 mm，與5.6 mm的設(shè)計(jì)要求之間存在2.4 mm的差異。因此，當(dāng)一個(gè)底面加工很好的底板貼到反應(yīng)堆壓力容器球底時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)底板無(wú)法完全和反應(yīng)堆壓力容器球底貼合的情況，最大的間隙可達(dá)3.9 mm。因此，安裝好以后部分位置極限情況下堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值可比26.9 mm大3.9 mm左右。表3中總結(jié)了不同機(jī)組的間隙值。

表3 不同機(jī)組底板與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值

在改進(jìn)公式中，當(dāng)?shù)装逭{(diào)平后，選取4個(gè)點(diǎn)，記錄其與反應(yīng)堆壓力容器球底之間的最大間隙值，作為Smax。

3.3 針對(duì)焊接收縮和其他不確定性因素的改進(jìn)

能量吸收器的緩沖套筒和外殼之間的焊縫為坡口焊縫。外殼與底板之間為角焊縫。上述焊縫焊接完后，會(huì)使得能量吸收器在高度方向產(chǎn)生收縮。根據(jù)SM2的經(jīng)驗(yàn)，收縮量在0.8 mm左右。此外，測(cè)量誤差和測(cè)量溫度等，也會(huì)導(dǎo)致最終安裝間隙值增大，超出26.9 mm的要求。

為了確保最終間隙滿足26.9 mm的要求，在能量吸收器加工公式預(yù)先設(shè)定了一個(gè)間隙余量，即故意使最終間隙小于26.9 mm的要求。SM1機(jī)組的余量選取了0.38 mm，HY1和SM2在SM1的結(jié)果上，將這一余量增大，選取為2.54 mm。

4 結(jié)果分析

根據(jù)改進(jìn)公式和西屋APP標(biāo)準(zhǔn)公式得到的SM2機(jī)組能量吸收器支撐柱長(zhǎng)度如表4所示。改進(jìn)公式得到的支撐柱長(zhǎng)度要比原設(shè)計(jì)公式長(zhǎng)4 mm以上。

表4 SM2兩種加工公式對(duì)支撐柱長(zhǎng)度的影響比較

改進(jìn)公式與僅修正渦流抑制板厚度對(duì)能量吸收器支撐柱長(zhǎng)度對(duì)能量吸收器長(zhǎng)度的影響，如表5和表6所示。其中SM1改進(jìn)公式得到的結(jié)果要大1.3 mm，HY1公式改進(jìn)公式要大2.7 mm以上。差別來(lái)源主要是因?yàn)镾M1考慮的間隙余量比HY1少2.16 mm左右。

表5 SM1兩種加工公式對(duì)支撐柱長(zhǎng)度的影響比較

表6 HY1兩種加工公式對(duì)支撐柱長(zhǎng)度的影響比較

表4至表6的結(jié)果表明，改進(jìn)公式對(duì)能量支撐柱的長(zhǎng)度影響是比較大的。

根據(jù)改進(jìn)公式得到的SM1、 HY1和SM2的最終安裝間隙，如表7所示。SM1因?yàn)橛嗔苛舻蒙?，部分?jǐn)?shù)據(jù)稍微超出26.9 mm，大0.22 mm左右。而HY1的最大間隙要比26.9 mm小2.15 mm，SM2為2.03 mm。因此，可得出：

(1)如果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)APP公式以及第一次修改公式來(lái)加工SM1的能量吸收器，間隙值將超出26.9 mm至少1.5 mm左右，這會(huì)使得SM1的安裝不滿足西屋原有設(shè)計(jì)分析報(bào)告，使得安全余量減少。

(2)HY1的改進(jìn)公式雖然最小間隙比26.9 mm減少了3.4 mm，SM2的為4.34 mm，但是這種減少不會(huì)使得熱態(tài)下二次堆芯和反應(yīng)堆壓力容器接觸。因此此種改進(jìn)公式對(duì)安裝來(lái)說(shuō)是保守的，現(xiàn)場(chǎng)也容易實(shí)現(xiàn)。

表7 SM1、HY1和SM2根據(jù)改進(jìn)公式得到最終安裝間隙比較

5 結(jié)論

二次堆芯支撐是堆內(nèi)構(gòu)件中緩解堆芯跌落事故影響的重要部件。二次堆芯支撐與反應(yīng)堆壓力容器之間的計(jì)算間隙(冷態(tài))為26.9 mm。安裝過(guò)程中要保證最終間隙值小于26.9 mm的要求。這樣才能使得安裝結(jié)果符合設(shè)計(jì)計(jì)算分析，確保反應(yīng)堆事故下的安全。SM1、HY1和SM2的經(jīng)驗(yàn)表明，必須對(duì)能量吸收器的加工公式進(jìn)行修改，可為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒作用。