華龍一號(hào)安注箱自主設(shè)計(jì)及改進(jìn)分析

徐同喜

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

自2011年福島事故之后，我國(guó)對(duì)于自身核電技術(shù)的發(fā)展又提出了許多新的要求。按照最新的核安全法規(guī)要求和國(guó)際、國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)參考國(guó)際先進(jìn)壓水堆核電廠用戶的要求(URD和EUR)，秉承自主創(chuàng)新的核心理念，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)壓水堆核電技術(shù)——HPR1000，滿足全面參與國(guó)內(nèi)和國(guó)際核電市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)要求。

安注箱是HPR1000堆型中安全注入系統(tǒng)中的重要設(shè)備，隸屬于安注箱注入子系統(tǒng)，屬于安全二級(jí)設(shè)備，對(duì)核電廠的安全運(yùn)行有著非常重要的作用。HPR1000安注箱設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)歷了數(shù)次方案的更迭，與原有的M310安注箱相比，設(shè)備的布置空間，特別是高度空間減??；但設(shè)備的設(shè)計(jì)容積及液相容積要求增加，這導(dǎo)致設(shè)備如果還是按照之前M310堆型的上、下球形封頭加中間圓型筒體的設(shè)計(jì)方案，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法布置。在設(shè)計(jì)方案修改的過(guò)程中，廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外先進(jìn)壓水堆中安注箱設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，特別是吸取AP1000堆型安注箱的設(shè)計(jì)理念，融合了以往M310堆型的設(shè)計(jì)方案和設(shè)備制造、安裝過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)反饋，結(jié)合HPR1000自身的特點(diǎn)，深入研究確立了最終的整體方案。

1 安注箱的主要設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)備功能

安全注入系統(tǒng)的安全等級(jí)為2級(jí)，與一回路相連接的部分為安全1級(jí)。其主要功能是：

(1)在失水事故情況下，通過(guò)向堆芯注入冷卻水，能防止燃料包殼熔化，并保持堆芯的幾何形狀和完整性；

(2)在主蒸汽管道破裂事故工況下，本系統(tǒng)向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)注入硼酸溶液，以補(bǔ)償由于不可控的產(chǎn)生蒸汽致使反應(yīng)堆冷卻劑過(guò)冷而引起的容積變化，并限制反應(yīng)性的迅速上升；

(3)在失水事故工況下，本系統(tǒng)的部分承壓邊界作為安全殼的延伸，具有安全殼屏障的作用[1]。

安注箱位于安全注入系統(tǒng)的安注箱注入子系統(tǒng)內(nèi)。此系統(tǒng)為一個(gè)非能動(dòng)的子系統(tǒng)，由氮?dú)飧采w加壓的安注箱及連接到反應(yīng)堆冷卻劑冷段的管道和閥門(mén)組成。當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力降到低于安注箱正常運(yùn)行壓力時(shí)，安注箱注入子系統(tǒng)向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)注入硼酸溶液以保證堆芯的短期冷卻。每臺(tái)安注箱內(nèi)的加壓氮?dú)馊莘e足以保證在RCS系統(tǒng)降壓時(shí)把全部含硼水排出安注箱。

安注箱設(shè)備基礎(chǔ)安裝于-6.7 m的樓層的0.1 m高的基座上。由于設(shè)備高度較高，其筒體穿過(guò)了標(biāo)高為-3.3 m的夾層，其頂端位于-0.5 m樓層下方。

1.2 設(shè)備分級(jí)

安注箱設(shè)備具體分級(jí)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備分級(jí)Table 1 Equipment classification

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

安注箱設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等系統(tǒng)要求，同時(shí)還有布置、儀控及土建專業(yè)的相關(guān)要求。設(shè)備具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters

2 設(shè)備設(shè)計(jì)改進(jìn)

HPR1000安注箱的設(shè)計(jì)，是在M310型安注箱豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)壓水堆安注箱的設(shè)計(jì)理念，最終形成了具有自身特點(diǎn)和完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)方案。安注箱整體上呈現(xiàn)“皮薄餡大”等特點(diǎn)。無(wú)內(nèi)構(gòu)件，較為簡(jiǎn)單的球體+裙座結(jié)構(gòu)；屬薄壁結(jié)構(gòu)，易變形， 且矯形困難。設(shè)計(jì)壽命為40年，對(duì)其承壓部件的強(qiáng)度和耐硼水腐蝕性能提出了更高要求。設(shè)計(jì)方給出的參考方案為：上下殼體由兩塊板材拼焊、壓制成型，中殼體為6塊板材壓制的瓜瓣拼焊成型，成型尺寸及錯(cuò)邊量控制困難[2]。下面對(duì)于設(shè)備的主要設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 設(shè)備材料選取

用于安注箱承壓部件的材料應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、塑韌性和耐熱性，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性。其接觸硼水的內(nèi)表面要求材料化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕性好，對(duì)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕不敏感。從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)， 材料必須來(lái)源方便，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易行，制造成本低廉，使用經(jīng)驗(yàn)豐富[3]。

安注箱承壓邊界為一個(gè)球型的筒體結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部裝盛有含硼水和氮?dú)?，?duì)材料的抗腐蝕性要求較高。同時(shí)由于設(shè)備設(shè)計(jì)壓力為4.83 MPa，屬于高壓力的容器設(shè)備，要求材料強(qiáng)度較強(qiáng)。由于目前國(guó)內(nèi)復(fù)合鋼板的技術(shù)成熟度不足、成材率較低、生產(chǎn)及采購(gòu)周期較長(zhǎng)等原因，考慮到設(shè)備加工制造的可行性及經(jīng)濟(jì)性等因素，我們參考原M310安注箱的材料，選取了控氮不銹鋼材料026Cr19Ni10N作為設(shè)備的主體材料。設(shè)備球型筒體為鋼板壓制而成，人孔及溶液出口接管采用鍛件加工。裙座有鋼板卷制，底板為鋼板拼焊而成。

2.2 安注箱筒體設(shè)計(jì)

以往的M310型安注箱其筒體結(jié)構(gòu)為中間為圓柱形筒體，上、下各連接一個(gè)球形封頭的膠囊型結(jié)構(gòu)，設(shè)備人孔位于圓柱形筒體上，外形尺寸為4200 mm×3900 mm×6700 mm，具體結(jié)構(gòu)件圖1但是在HPR1000的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于HPR1000對(duì)于安注箱的容積要求為66.2 m3，遠(yuǎn)大于原M310型安注箱的 47.7 m3，但同時(shí)，設(shè)備由于布置空間的限制，導(dǎo)致設(shè)備高度不得高于6.2 m的布置空間。也就是設(shè)備容積增加但是高度需要降低。通過(guò)對(duì)其它先進(jìn)堆型安注箱設(shè)計(jì)的調(diào)研，特別是AP1000堆型安注箱球形筒體的啟發(fā)，果斷放棄了具有中間圓柱形筒體的膠囊型結(jié)構(gòu)，采用了球形筒體的結(jié)構(gòu)。很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖1 M310與HPR1000安注箱外形對(duì)比Fig.1 Comparison of M310 and HPR1000 accumulator

HPR1000安注箱球形筒體分為上封頭，中間筒體和下封頭三部分。上、下封頭均采用兩塊大小不同的拼板拼接而成。這主要是因?yàn)槿绻捎谜麎K鋼板，則封頭需要鋼板寬度要將近 5 m，目前控氮不銹鋼鋼板供應(yīng)商無(wú)法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為了避開(kāi)處于封頭中心的接管位置，所以采用了兩塊不等拼板。中間筒體部分采用六塊等分的瓜瓣型拼板拼接而成。由于球冠尺寸較大，焊接完成后需進(jìn)行熱壓并進(jìn)行多次熱循環(huán)[4]。設(shè)備拼縫焊接破口設(shè)計(jì)中應(yīng)考了盡可能采用埋弧焊，減少手工電弧焊的使用[5]。

2.3 安注箱裙座設(shè)計(jì)

HPR1000安注箱的裙座與球型筒體的連接部位位于中間筒體的瓜瓣型拼接部分。這就導(dǎo)致設(shè)備裙座與筒體的合攏焊縫(環(huán)形焊縫)會(huì)與設(shè)備筒體拼縫存在交叉的情況。如果不采取措施，會(huì)導(dǎo)致筒體拼縫二次受熱，影響到承壓邊界的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及設(shè)備壽命。同時(shí)考慮到設(shè)備自身的在役檢查要求，如果采用原M310型設(shè)備裙座，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備裙座與筒體合攏后，設(shè)備中間筒體的六道拼縫存在部分不可檢查的情況，這是絕對(duì)不能允許的。所以為了滿足設(shè)備焊接及在役檢查的要求，我們對(duì)于設(shè)備的裙座進(jìn)行了結(jié)果改進(jìn)，在裙座合攏焊縫與筒體每條拼縫交叉處，在裙座上加工一個(gè)R60的半圓。從而有效地避開(kāi)焊縫交叉的情況，又避免了對(duì)于筒體拼接焊縫的遮擋，滿足了設(shè)備在役檢查的要求。具體形式見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)后的裙座Fig.2 Improved skirt

2.4 安注箱地腳螺栓組件設(shè)計(jì)

HPR1000安注箱地腳螺栓組件主要由帶螺紋板、地腳螺栓、套筒。墊板和螺母組成。安注箱地腳螺栓為預(yù)埋螺栓，其供貨時(shí)間要早于設(shè)備主體供貨時(shí)間，以滿足現(xiàn)場(chǎng)土建預(yù)埋要求。由于安注箱設(shè)備安裝精度要求較高，但是土建預(yù)埋精度要求很難達(dá)到設(shè)備安裝的要求。曾經(jīng)出現(xiàn)了由于地腳螺栓預(yù)埋偏差較大，導(dǎo)致設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝的情況，最終只能通過(guò)氣刨切割的方法，將套筒切割后，再將設(shè)備進(jìn)行就位，待設(shè)備就位后重新還接套筒。經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)時(shí)問(wèn)題的分析，導(dǎo)致這一問(wèn)題的主要原因如下：

(1)現(xiàn)場(chǎng)土建安裝誤差較大，導(dǎo)致螺栓實(shí)際預(yù)埋后，與理論位置相差較大。

(2)由于設(shè)備螺栓套筒開(kāi)孔φ50與螺栓直徑φ45之間間隙較小，導(dǎo)致設(shè)備就位時(shí)調(diào)整空間有限。

針對(duì)以上原因，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工難度，我們將螺栓套筒的安裝，改為了現(xiàn)場(chǎng)安裝的形式。由于設(shè)備裙座底板的螺栓開(kāi)孔較大(φ70),所以設(shè)備就位難度降低，待設(shè)備就位后，再將螺栓套筒進(jìn)行焊接，從而有效地解決了設(shè)備的施工與就位問(wèn)題。

圖3 地腳螺栓組件Fig.3 Anchor bolt assembly

2.5 人孔螺柱設(shè)計(jì)

安注箱人孔密封要求較高，其人孔螺栓采用拉伸機(jī)進(jìn)行預(yù)緊。人孔螺栓由螺栓主體和測(cè)量桿組成?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量來(lái)檢驗(yàn)密封的有效性。螺栓在擰緊后受拉伸長(zhǎng)， 其與預(yù)緊前的初始長(zhǎng)度之差即為螺栓伸長(zhǎng)量。測(cè)量桿僅在一端通過(guò)螺紋與螺栓連接，另一端在螺栓芯部自由懸空，因此螺栓伸長(zhǎng)時(shí)測(cè)量桿長(zhǎng)度保持不變。

使用螺栓拉伸機(jī)拆卸和裝配人孔螺栓是安注箱的設(shè)計(jì)要求之一。這種操作方式的優(yōu)點(diǎn)是可以以一個(gè)固定的載荷同時(shí)緊固或拆卸多個(gè)螺栓，保證載荷輸出均勻且操作便捷。相對(duì)扳手而言，螺栓拉伸機(jī)以純拉力直接拉長(zhǎng)螺栓，不輸出扭矩與剪切力，對(duì)接觸面無(wú)摩擦損傷，可精確控制螺栓預(yù)緊力[3]。

人孔部件每個(gè)雙頭螺柱內(nèi)部都裝有測(cè)量桿，測(cè)量桿為外徑φ5.5細(xì)長(zhǎng)型圓桿，桿的一頭加工有M5的螺紋。在雙頭螺柱內(nèi)部開(kāi)有φ6的圓孔，圓孔底部為M5的內(nèi)螺紋。測(cè)量桿安裝在雙頭螺柱的內(nèi)部，通過(guò)螺紋與雙頭螺柱底部的內(nèi)螺紋嚙合，擰至測(cè)量桿與雙頭螺柱頂部平齊。待測(cè)量桿就位完成后，在雙頭螺柱的底部加工一個(gè)銷(xiāo)孔，并通過(guò)銷(xiāo)子將測(cè)量桿卡死，完全固定測(cè)量桿，保證后續(xù)螺栓伸長(zhǎng)量的測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖4 安注箱人孔組件Fig.4 Manhole assembly

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)于HPR1000安注箱設(shè)備的功能、設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容的描述，揭示了安注箱設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)設(shè)計(jì)中主要改進(jìn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論和分析。

通過(guò)對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，成功設(shè)計(jì)出了符合RCC-M

標(biāo)準(zhǔn)并且滿足工藝及布置要求的設(shè)備。同時(shí)響應(yīng)了我國(guó)核電自主化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，很好的保證了HPR1000在核電項(xiàng)目特別是涉外項(xiàng)目中的進(jìn)度要求，為我國(guó)核電走出去提供了有利支持。