秦山核電320 MWe機組水下燃料運輸通道抗震分析及改進

林藝軍，何少華，郭 亮

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 功能與結(jié)構(gòu)

秦山核電320 MWe機組水下燃料運輸通道為安全殼貫穿件，為核安全2級(MC級)、抗震I類設(shè)備，用于連通反應堆廠房換料水池和燃料廠房貯存水池，停堆換料期間，為新、乏燃料組件及其他放射性組件和物品提供運輸通道。在反應堆運行期間及事故期間，運輸通道的部分部件成為安全殼的壓力邊界，同時具有防止燃料廠房貯存水池池水泄漏到廠房外的功能。當?shù)卣鸢l(fā)生時，水下燃料運輸通道的可靠性，將直接影響燃料運輸系統(tǒng)的安全。

水下運輸通道主要由內(nèi)管、外管、法蘭、盲板、膨脹節(jié)和工藝管等部件組成，反應堆廠房側(cè)采用法蘭盲板封閉，燃料廠房側(cè)與閘閥相連，閘閥坐于支撐座上，支撐座設(shè)有滑槽，如圖1所示。

2 抗震弱項評定

從圖1結(jié)構(gòu)可知，運輸通道內(nèi)管相對外管無固定連接，連接閘閥與支座為滑塊滑槽結(jié)構(gòu)，在軸向上沒有固定約束或限制，抗震能力可能不足，在電廠PSR評定中，該問題被評定為PSR弱項，需經(jīng)設(shè)計院進一步抗震專業(yè)評定后給出結(jié)論。通過載荷組合應力分析，建立水下運輸通道模型，利用ANSYS軟件分析計算，給出其自重、壓力載荷下靜態(tài)分析、模態(tài)分析和地震載荷下的分析結(jié)果，同時對水下運輸通道管道在各使用限制條件下的應力進行組合與評定，具體見表1。

圖1 水下運輸通道及連接閘閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of underwater transportation channel and connecting gate valve

表1 載荷組合和使用限制Table 1 Load combinations and usage restrictions

評定結(jié)論：1)水下運輸通道管道安全殼壓力邊界部件滿足ASME BPVC Ⅱ規(guī)范的相關(guān)要求；2)水下運輸通道內(nèi)管管 在軸向未設(shè)置固定約束(僅靠摩擦力輔助固定)，鞍座與內(nèi)管之間的摩擦力不足以克服地震工況下的軸向力(地震反力)，內(nèi)管會發(fā)生軸向竄動，可能與盲板法蘭發(fā)生碰撞，造成安全殼壓力邊界破壞。

3 改進分析與確定

3.1 結(jié)構(gòu)調(diào)研

調(diào)研其他壓水堆核電廠的水下燃料運輸通道的抗震結(jié)構(gòu)形式，探討是否可借鑒改進：

1)秦二廠：采用焊接形式，將通道環(huán)套(即通道內(nèi)管)與預埋管(外管)固定，與通道閘閥采用機械固定，軸向限制，從而限制整個通道竄動，保證通道的抗震性能。

2)方家山：結(jié)構(gòu)形式與秦二廠基本一致，同樣采用通道內(nèi)管與外管(預埋)焊接固定，并且與通道內(nèi)管相連設(shè)備采用機械固定在水池地面上，防止其產(chǎn)生軸向和徑向竄動。

3)三門：AP1000機組通道結(jié)構(gòu)與秦山電廠結(jié)構(gòu)較大不同，但同樣采用內(nèi)管與預埋管焊接固定，且與閘閥也采用機械固定方式連接在水池地上，具有可靠固定和限制移動的作用。

調(diào)研了解，焊接固定是普遍連接形式，通道閘閥施加固定約束，抗震較為可靠，能有效限制通道內(nèi)外管的位移，對通道結(jié)構(gòu)固定約束可作為一種參考方案。

3.2 整體改進分析

通過設(shè)計討論認為，整體更換是一種比較徹底的解決辦法，通過預埋以及焊接等方法，使新通道具備足夠強度的抗震性能，但該方法涉及的范圍較廣，改動量大，存在以下難點：

1)施工難度分析:如圖2所示，通道空間狹小且深，底部中間布置有燃料運輸軌道和牽引鋼絲繩、定位檢測部件等，整體更換涉及廠房結(jié)構(gòu)變動，增加預埋板，通道底部的軌道、閘閥、支座以及燃料運輸相關(guān)設(shè)備也需拆除，工作量巨大。設(shè)備體積和質(zhì)量大，吊車無法直達，舊設(shè)備拆除和新設(shè)備安裝的吊運困難，需通過其他方式倒運，施工難度大，作業(yè)周期長。

圖2 現(xiàn)場環(huán)境Fig.2 The on-site environment

2)輻照風險分析:通道長年用于燃料組件運輸，放射性顆粒沉降，環(huán)境劑量大，部分區(qū)域存在輻射熱點，長時間作業(yè)將接受極大輻射劑量，且人員在底部作業(yè)極易造成體表沾污。

3)核安全性分析：水下運輸通道具有維持安全殼壓力邊界完整性的功能，改造工作破壞其原有結(jié)構(gòu)完整性，需要進行復雜且周全的設(shè)計和計算。由于其核安全等級，需向國家核安全局提出詳細的核安全修改申請，獲得批準后方可實施，不確定性和不可控因素多。

4)經(jīng)濟性分析:整體更換涉及廠房部分結(jié)構(gòu)的變動、核級材質(zhì)的整體更換以及復雜的現(xiàn)場施工，工作量大，施工周期長，改造的經(jīng)濟費用高。

綜上，對通道內(nèi)外管進行整體更換存在較大的施工難度、安全風險以及輻射風險，經(jīng)濟代價大。從施工可能性、人員安全、壓力邊界安全的角度出發(fā)，考慮通過局部進行加強的方式，簡化設(shè)計，優(yōu)化施工內(nèi)容，在實現(xiàn)抗震性能要求的前提下盡可能減少風險和難度。

3.3 局部加強方案分析

局部加強方案考慮直接對內(nèi)管增加固定或者對與通道內(nèi)管相連的閘閥進行加固，采用焊接或機械加固，限制通道內(nèi)管軸向位移，避免與通道盲板碰撞?？紤]以下幾個方案：

方案一 閘閥座板與閘閥支撐座焊接連接

閘閥座板與支撐座焊接固定(如圖3)，進而實現(xiàn)對內(nèi)管固定，不影響今后閘閥的維修工作。閘閥維修時，拆卸閘閥與座板的連接螺栓即可。該方法只需焊接，實施較簡單，但焊接將使閘閥與支座完全固定，無緩沖空間，導致閘閥支座滑槽與滑塊結(jié)構(gòu)失效，無法吸收由于溫差變化導致的通道熱脹冷縮變形，可能導致通道及部件的整體微量變形和應力附加，不建議采用。

圖3 閘閥底部與支撐座結(jié)構(gòu)Fig.3 The gate valve bottom and support seat structure

方案二 閘閥座板與閘閥支撐座螺栓連接

閘閥座板與支撐座側(cè)邊各有螺栓孔(如圖4)，設(shè)計連接件，通過螺栓連接實現(xiàn)固定，不影響將來閘閥的維修。但該方案的主要問題是現(xiàn)有螺栓孔(M16*38)較小，而運輸通道整體質(zhì)量(含閘閥、支撐座以及其他相關(guān)部件)超8 t，螺栓連接件很難承受運輸通道在地震工況下的沖擊，存在強度不足的問題，同時存在可能的安裝錯位問題，不建議采用。

圖4 螺孔位置 Fig.4 The location of screw hole

方案三 固定閘閥滑塊在滑槽/支座

設(shè)計專用限位裝置，將閘閥滑塊固定在滑槽/支座上，進而固定閘閥座板與閘閥支撐座。該方案需考慮現(xiàn)場安裝空間狹小，人員作業(yè)不便，專用裝置安裝時可能的零部件干涉情況，需充分勘查現(xiàn)場環(huán)境，做好方案設(shè)計。可設(shè)計整體限位裝置，將閘閥座板與支撐座上板完全包裹，并于上下前后左右各留有一定間隙，以保證滑槽結(jié)構(gòu)的一定錯位以及熱脹冷縮微量變形的影響，同時結(jié)構(gòu)強度較高，能保證抗震強度，且安裝簡單，便于實施，建議采用。

方案四 新增環(huán)板固定內(nèi)管法蘭

新增環(huán)板，采用焊接或機械螺栓連接形式將內(nèi)管法蘭固定在換料水池鋼敷面上。優(yōu)點是直接對運輸通道內(nèi)管進行固定，抗震效果優(yōu)良，缺點是該方案同樣涉及到設(shè)備吊裝以及通道下方空間狹小的限制，安裝難度大，工作時間長，輻射劑量高，并且對水池鋼敷面產(chǎn)生了破壞，需要經(jīng)過詳細的設(shè)計計算，工作量大。現(xiàn)場不可控因素較多，不建議采用。

3.4 方案設(shè)計

從現(xiàn)場施工、安裝便捷、抗震性能等綜合考

慮，采用專用限位裝置方案，考慮如下：

1)通道底部狹小，采用左右HALF結(jié)構(gòu)進行對中固定，從通道軸向方向的兩側(cè)進行安裝；

2)軸向方向采取專用限位裝置本體承受地震載荷作用力，而不通過連接螺栓來承受(只起連接作用)，可以有效避免長時間作用引起螺栓失效或螺栓變形導致抗震性能降低；

3)限位裝置內(nèi)尺寸略大于閘閥座板尺寸，安裝后在前后左右四個方向有約2.5 mm的間隙，而通道內(nèi)管與通道盲板的距離約為30 mm，在地震時對閘閥以及于閘閥相連的水下運輸通道內(nèi)管起到限位作用，避免內(nèi)管撞擊盲板；

4)限位裝置采用與閘閥等級一致的核級材料，并進行沉淀硬化熱處理，確保能承受地震載荷和沖擊載荷的抗震性能，固定閘閥與支撐座，從而實現(xiàn)通道內(nèi)管的軸向固定。

4 通道改造抗震性能評定

方案確定后，必須對安裝專用限位裝置后的通道抗震性能進行評定，如不滿足則修改設(shè)計后重新計算。采用ANSYS 建模，進行自重、壓力作用下靜力分析、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和地震載荷作用下反應譜分析，如果計算應力值與規(guī)定應力限值之比≤1，則滿足規(guī)范要求。

4.1 通道應力分析結(jié)果與評定

自重、壓力、OBE地震載荷、SSE 地震載荷下安全殼壓力邊界部件和內(nèi)管的應力強度云圖(如圖5)，均滿足要求。

圖5 各載荷下應力云圖Fig.5 Stress contours under various loads

4.2 專用限位裝置應力評定

對專用限位裝置作地震載荷OBE和SSE下的應力評定。閘閥和通道管均屬于剛性部件(自振頻率大于33 Hz)，因此可用等效靜力法作計算。管道軸向(水平)地震載荷下專用限位裝置將承受由閘閥和水下運輸通道管道的慣性力；另一個水平方向的地震載荷由閘閥座板和支承座之間的滑槽承受；對于豎向地震載荷，豎直方向OBE和SSE的ZPA加速度均為0.4g，考慮1.5倍的系數(shù)后，為0.6g，小于重力加速度，因此專用限位裝置不會承受豎向的地震載荷。綜上，僅需對專用限位裝置作管道軸向(水平)地震載荷下的應力評定即可。

一次薄膜應力Pm計算值與許用值的比值=Pm/ Max(1.2Sy, 1.5Sm)=48/517 =0.10

通過評定，OBE和SSE地震載荷下，專用限位裝置的設(shè)計滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

4.3 閘閥支撐座應力評定

考慮閘閥支撐座與閘閥、地面通過螺栓連接固定，具有焊縫結(jié)構(gòu)，在地震工況下，存在受載荷作用而發(fā)生損壞的隱患，建立ANSYS計算模型，由支承座、閘閥底板和部分地面組成，閘閥底板和支承座上板簡化成一體,驗證其自身抗震性能經(jīng)計算，閘閥支承座、閘閥支承座底板螺栓、閘閥底板螺栓、支承座底板和地面之間的環(huán)角焊縫、支承座底板和筋板/支承筒的環(huán)角焊縫經(jīng)應力分析結(jié)果表明，應力計算值與規(guī)范規(guī)定的應力限值之比均小于1，滿足ASME BPVC-Ⅲ-1-NF規(guī)范的相關(guān)要求。

圖6 應力云圖Fig.6 The stress cloud

4.4 評定結(jié)論

水下運輸通道管道(包括內(nèi)管、外管和盲板)和閘閥支承座滿足 ASME B&PVC-Ⅲ-1-NE規(guī)范的相關(guān)要求；對專用限位裝置作了OBE和SSE地震載荷下的應力評定，結(jié)果表明：專用限位裝置的設(shè)計滿足ASME B&PVC-Ⅲ-1-NF規(guī)范的相關(guān)要求。

5 結(jié)束語

水下運輸通道空間狹小、輻射劑量高、安全等級高，整體改造方案具有安全風險高、經(jīng)濟代價昂貴且實施困難的問題，在保證效果的前提下，采用了結(jié)構(gòu)簡單且安裝便捷的局部改造形式。通過方案分析，采取增加專用限位裝置方案，經(jīng)抗震性能評定，確保效果。充分考慮了設(shè)計方案的優(yōu)缺點、實際安裝難度和可能的意外情況，現(xiàn)場安裝過程順利，符合預期目標，實現(xiàn)了水下運輸通道加固，為秦一廠運行許可證延續(xù)(OLE)提供有力保障。