堆芯過濾裝置的設(shè)計改進

姜建軍，陳振偉，冉小兵，任紅兵

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124）

CPR1000堆型的反應(yīng)堆在主回路冷態(tài)功能試驗和熱態(tài)功能試驗期間，有157組堆芯過濾裝置安裝在堆內(nèi)構(gòu)件堆芯下板上，用于過濾平均直徑大于1.5mm的異物顆粒，以防止它們進入反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)其他部件，造成設(shè)備損壞［1］。

嶺澳核電站3號機組在熱態(tài)功能試驗后，發(fā)現(xiàn)有多組堆芯過濾裝置出現(xiàn)不同程度的損壞，如圖1所示。堆芯過濾器不但沒有充分發(fā)揮其原有功能，損壞掉落的濾網(wǎng)反而成了主回路新的異物，后期還需對其進行搜集清理。為確保堆芯過濾裝置在核電站調(diào)試過程中的使用更加穩(wěn)定可靠，本文擬對堆芯過濾裝置的失效原因進行分析，并提出合理的改進方案。

圖1 嶺澳核電站3號機組堆芯過濾裝置損壞情況Fig.1 The damaged filter blocks of Unit 3of Ling Ao Nuclear Power Plant

1 堆芯過濾裝置的結(jié)構(gòu)及失效原因分析

1.1 堆芯過濾裝置的結(jié)構(gòu)

堆芯過濾裝置由基座、濾網(wǎng)（無翻邊）、壓條、把手及固定裝置組成，如圖2所示?；脕戆惭b固定濾網(wǎng)及其他零件，并為整個堆芯過濾裝置的安裝提供定位。濾網(wǎng)由奧氏體不銹鋼鋼絲經(jīng)緯編織而成，每個節(jié)點處經(jīng)釬焊固定，并沖壓成球冠形。濾網(wǎng)放置在基座上表面凹臺上，再由上方的壓條壓緊，壓條與基座間通過間斷焊接固定。把手焊接在基座上表面上，方便堆芯過濾裝置的搬運，并通過螺釘、墊塊等零件與濾網(wǎng)頂端連接，為濾網(wǎng)提供支撐，提高濾網(wǎng)的整體強度。固定裝置用來將堆芯過濾裝置固定在堆內(nèi)構(gòu)件堆芯下板上。

1.2 堆芯過濾裝置失效原因分析

嶺澳核電站3號機組熱態(tài)功能試驗階段堆芯過濾裝置的失效形式主要有2種：一種是濾網(wǎng)被水流中的硬物擊破，另一種是濾網(wǎng)受水力沖擊從基座上脫落。第一種失效形式，主要是因為主回路中未被清理干凈的硬物，在高速水流的帶動下沖擊濾網(wǎng)所致。在回路清潔和沖洗階段仔細(xì)清理回路中的異物便可避免這類失效的發(fā)生，因此本文不對這種失效形式作重點的分析。第二種失效形式，其直接原因是主回路中的異物被濾網(wǎng)截留，堵塞了流道，從而增加了濾網(wǎng)的局部阻力，導(dǎo)致濾網(wǎng)上下兩面的壓差增大，流體作用在濾網(wǎng)上的壓力也隨之增大［2］，當(dāng)該壓力增大到一定程度時，就導(dǎo)致了濾網(wǎng)從基座上脫落。

圖2 堆芯過濾裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of filter block

究其根本原因，還在于堆芯過濾裝置濾網(wǎng)與基座間的連接方式不夠可靠。濾網(wǎng)通過壓條壓緊其邊緣而固定在基座上，這種結(jié)構(gòu)形式使得濾網(wǎng)與基座僅僅通過兩者間的摩擦力進行連接。由于摩擦力f＝μ×N，壓條作用在濾網(wǎng)邊緣的壓力就成了影響濾網(wǎng)連接可靠性的關(guān)鍵因素。雖然在將壓條焊接到基座上時，已經(jīng)通過工裝對壓條施加了一定的預(yù)壓力。但是由于壓條和基座之間通過端面焊接方式連接，壓條上施加壓力的施力點與壓條的固定支點重合，這使得壓條保持預(yù)壓力的效率極大地降低，濾網(wǎng)連接的可靠性也隨之降低。堆芯過濾裝置這種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計不合理，是濾網(wǎng)從基座上脫落的主要原因。

此外，嶺澳核電站3號機組熱態(tài)試驗階段使用的是曾經(jīng)在嶺澳一期核電站使用過的同一批堆芯過濾裝置，且這批堆芯過濾裝置距上一次使用已有五六年之久。長期存放過程中濾網(wǎng)的輕微銹蝕及壓條上預(yù)壓力的緩慢釋放，都可能使濾網(wǎng)連接的可靠性降低。這應(yīng)該是濾網(wǎng)從基座上脫落的次要原因。

2 堆芯過濾裝置的結(jié)構(gòu)改進

堆芯過濾裝置的另一個功能是在冷態(tài)功能試驗和熱態(tài)功能試驗階段模擬燃料組件的水力特性。因此，在對其結(jié)構(gòu)進行改進時，須遵循一個原則：不能改變原裝置的水力特性。

如前文所述，濾網(wǎng)與基座間的連接方式設(shè)計不合理是堆芯過濾裝置失效的主要原因。因此，最簡單和直接的方法便是通過改進濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來改變?yōu)V網(wǎng)與基座的連接方式。如圖3所示，濾網(wǎng)沖壓成形時，在濾網(wǎng)邊緣進行向上翻邊處理，將壓條外徑尺寸作相應(yīng)的修改，其他零件的結(jié)構(gòu)和尺寸完全不變。在將壓條焊接到基座上時，通過工裝在軸向和徑向兩個方向上對壓條施加一定的預(yù)壓力。如此改進之后，濾網(wǎng)與基座的連接便由原來的單一軸向壓緊（夾緊）連接改變?yōu)檩S向和徑向兩個方向壓緊（夾緊）的連接，連接的可靠性得到極大提高，堆芯過濾裝置的長期存放對其性能可靠性的影響也會降低。

圖3 翻邊結(jié)構(gòu)濾網(wǎng)示意圖Fig.3 The structure of filter block with flanging

3 堆芯過濾裝置的試驗驗證

為了驗證改進后堆芯過濾裝置性能的可靠性，特別設(shè)計了如下試驗：取嶺澳核電站3號機組用過的堆芯過濾裝置、按原有技術(shù)方案新制的堆芯過濾裝置和按改進后技術(shù)方案制作的堆芯過濾裝置各5件，分別編號為A1～A5、B1～B5、C1～C5。去除堆芯過濾裝置上的把手、固定裝置等附件，僅留下基座、濾網(wǎng)和壓條，將其倒置在WDW－100C微機控制電子萬能試驗機的試驗臺上。通過球缺形壓頭對倒置的過濾裝置濾網(wǎng)施加壓力，直至濾網(wǎng)從基座中脫落或濾網(wǎng)斷裂失效，記錄每次試驗過程中的最大壓力。試驗設(shè)備照片如圖4所示，結(jié)果數(shù)據(jù)見表1和圖5。

圖4 試驗設(shè)備Fig.4 The picture of testing machine

表1 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)Table 1 The test result data

圖5 三組堆芯過濾裝置試驗結(jié)果Fig.5 The chart of test results

從試驗結(jié)果看來，B組試件的最大壓力值平均值比A組試件大了220%，說明重復(fù)使用與長期存放對原有技術(shù)方案堆芯過濾裝置的性能可靠性有很大的影響；A組試件和B組試件的失效形式均為濾網(wǎng)脫落，說明原有技術(shù)方案堆芯過濾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計確實不合理；C組試件的最大壓力值平均值比B組試件大了130%，且其失效形式為濾網(wǎng)斷裂，說明改進后技術(shù)方案堆芯過濾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，性能也最為可靠。改進后堆芯過濾裝置照片見圖6。

圖6 改進后堆芯過濾裝置Fig.6 The improved filter blocks

4 其他改進方案

為徹底消除堆芯過濾裝置重復(fù)使用與長期存放對其性能可靠性的不利影響，同時盡量降低使用成本，可以將濾網(wǎng)設(shè)計成可拆卸的濾網(wǎng)組件，在重復(fù)使用時更換新制的濾網(wǎng)即可。這種新型的堆芯過濾裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示，濾網(wǎng)組件從基座下方安裝，通過壓條壓緊后將壓條與基座點焊固定，基座的結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的修改，其他結(jié)構(gòu)及連接方式保持不變。濾網(wǎng)組件由濾網(wǎng)和上下兩塊夾板組成，濾網(wǎng)放置在上下兩塊夾板之間，上下夾板通過6顆沉頭螺釘連接，如圖8所示。

圖7 可更換濾網(wǎng)組件的堆芯過濾裝置Fig.7 The filter block with replaceable filter element

圖8 濾網(wǎng)組件的幾種結(jié)構(gòu)形式Fig.8 Several structure of replaceable filter element

5 結(jié)論

嶺澳核電站3號機組堆芯過濾裝置在使用過程中損壞的主要原因是其結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、重復(fù)使用以及使用前的長期存放。通過對濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改進，改變了濾網(wǎng)與基座間的連接方式，使改進后的堆芯過濾裝置性能更好，質(zhì)量更可靠，并通過機械試驗的方式得到了驗證。改進后新型堆芯過濾裝置屬于國內(nèi)首創(chuàng)，已向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請專利并獲授權(quán)（專利號：ZL 2011 2 0009569.6）。

改進后新型堆芯過濾裝置可直接用于CPR1000堆型的核電廠，通過接口及相關(guān)尺寸的調(diào)整還可應(yīng)用到其他60萬千瓦級壓水堆和EPR及AP1000堆型的核電廠。

［1］ 廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京：原子能出版社，2004.

［2］ 劉鶴年 .工程流體力學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.