堆內(nèi)輻照考驗回路穩(wěn)壓器的設(shè)計

汪海，孫勝，戴鈺冰，吳紅偉

（中國核動力研究設(shè)計院一所，成都 610005）

0 引言

反應(yīng)堆輻照考驗回路用于對新型燃料元件進(jìn)行最終試驗驗證，模擬燃料元件實際運行的中子場、溫度、壓力、流量、水質(zhì)等環(huán)境條件，對燃料元件進(jìn)行堆內(nèi)輻照試驗，以驗證燃料元件在預(yù)期燃耗深度下的物理熱工特性、結(jié)構(gòu)的完整性以及制造工藝的合理性。目前由于我國的燃料元件研發(fā)多是基于壓水堆模型，因此燃料元件的運行溫度一般為310 ℃，運行壓力一般為15.5 MPa，高溫高壓工況下如何對考驗回路冷卻劑介質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)壓，控制壓力波動范圍就成了回路設(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)難點。本穩(wěn)壓器專門用于反應(yīng)堆輻照考驗回路，能將回路的壓力波動控制在基準(zhǔn)值-0.17～0.52 MPa之間，能通過穩(wěn)壓器內(nèi)部液位監(jiān)測回路冷卻劑是否出現(xiàn)泄漏，以便及時向系統(tǒng)補水，同時該穩(wěn)壓器還具有高壓停堆保護(hù)和低壓停堆保護(hù)的功能。

1 穩(wěn)壓器設(shè)計原理

1.1 壓力控制原理

穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)由電加熱元件、噴淋閥、安全閥組成一個單參數(shù)多通道的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主通道控制器是一個比例積分微分控制器（PID），由壓力變送器得到的穩(wěn)壓器壓力P與整定值Pref相比較[2]，輸出比較信號P-Pref對噴淋閥和調(diào)節(jié)電加熱器進(jìn)行連續(xù)控制，對備用組電加熱器進(jìn)行斷續(xù)控制。

當(dāng)比較信號小于-0.17 MPa時，備用組電加熱器啟動，比較信號回升至-0.1 MPa時，備用組電加熱器啟動關(guān)閉；當(dāng)比較信號處于-0.1～0.1 MPa時，對應(yīng)調(diào)節(jié)組電加熱器100%～0功率，根據(jù)比較信號的大小，按比例控制調(diào)節(jié)組電加熱器的功率；當(dāng)比較信號處于0.17～0.52 MPa時，對應(yīng)噴淋閥的0～100%開度，根據(jù)比較信號的大小，按比例控制噴淋閥的開度；當(dāng)比較信號大于1.1 MPa時，開啟安全閥，排出多余的蒸汽，防止系統(tǒng)超壓。穩(wěn)壓器壓力調(diào)節(jié)原理圖如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓器壓力調(diào)節(jié)原理圖

穩(wěn)壓器在壓力升高時的壓力控制程序：壓力升高至15.67 MPa時，噴淋閥開啟，壓力升至16.02 MPa時，噴淋閥達(dá)到滿開度；壓力升至16.55 MPa，實行高壓停堆保護(hù)；壓力升至16.6 MPa時，第一個安全閥開啟，若開啟后壓力降至16.0 MPa，關(guān)閉安全閥升至17.2 Pa時，第二個安全閥開啟，若開啟后壓力降至16.6 Pa，關(guān)閉安全閥。穩(wěn)壓器在壓力升高時的壓力控制程序如圖2所示。

穩(wěn)壓器在壓力降低時的壓力控制程序：壓力降低至15.33 MPa時，備用組電加熱器啟動，若啟動后壓力回升至15.4 MPa，備用組電加熱器關(guān)閉；若壓力降至15.2 MPa時，發(fā)出低壓報警；當(dāng)壓力降至13.1 MPa時，實行低壓停堆保護(hù)；當(dāng)壓力降至11.9 MPa時，高壓安注系統(tǒng)投入。穩(wěn)壓器在壓力降低時的壓力控制程序如圖3所示。

1.2 水位控制原理

水位控制系統(tǒng)由液位監(jiān)測儀表和補水系統(tǒng)組成，當(dāng)液位低于設(shè)定值時開啟補水泵，向回路補水，當(dāng)液位達(dá)到定值時關(guān)閉補水泵[4]。系統(tǒng)壓力降低和系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏均可能造成穩(wěn)壓器液位降低，而正常壓力波動范圍內(nèi)的壓力降低是不需要對回路進(jìn)行補水的，只有在系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時才需要對系統(tǒng)進(jìn)行補水[6]。本文對上述兩種情況均建立了壓力與液位的關(guān)系函數(shù)，從而分析出正確的補水信號。

1.2.1 正常壓力波動時，壓力與液位的關(guān)系函數(shù)

在電加熱器的作用下，由ΔV體積的飽和水變成飽和蒸汽，由于在15.5 MPa的運行壓力下，水的密度大約是蒸汽密度的5.8倍[5]，若假定壓力不變，15.5 MPa下ΔV體積的飽和水則變成15.5 MPa下5.8倍ΔV體積的飽和蒸汽，而在穩(wěn)壓器內(nèi)部容器一定的情況下，氣腔體積只能變化為V1+ΔV，而運行壓力會由初始壓力P1變化為額定壓力P2。那么針對上部氣腔空間，如下等式成立：

當(dāng)P1在15.5～13.1 MPa之間變化時，k值在1～1.183之間變化。那么，x在0～0.183之間變化。

1.2.3 水位控制點的設(shè)置

從上述分析可知，在正常壓力波動下，若壓力降低，則液位將隨之在0～0.00229h1的范圍內(nèi)變化；若壓力升高，則液位將隨之在0～-0.0068h1之間變化。當(dāng)回路出現(xiàn)泄漏的情況下，低壓停堆之前液位在0～0.183h1的范圍內(nèi)變化。那么可將水位控制點作如下設(shè)置：1）當(dāng)液位比整定值h1低5%時，發(fā)出水位低報警信號；2）當(dāng)液位比整定值h1低10%時，發(fā)出補水信號；3）當(dāng)液位回升至整定值h1，解除補水信號。

為保護(hù)穩(wěn)壓器內(nèi)部的電加熱元件不燒毀，要求在電加熱元件的高度不得超過低壓停堆時的液位高度0.183h1，同時將電加熱元件與低壓停堆信號聯(lián)鎖，當(dāng)系統(tǒng)低壓停堆時同時關(guān)閉電加熱元件。

圖4 穩(wěn)壓器內(nèi)部體積變化示意圖

2 穩(wěn)壓器設(shè)計

2.1 總體描述

穩(wěn)壓器是一個直立的塔形容器，在其頂部有噴淋頭組件，在其中部設(shè)有波動管組件，在其底部設(shè)有電加熱元件，此外，在穩(wěn)壓器內(nèi)部還設(shè)置有電加熱元件導(dǎo)向格架板與保護(hù)穩(wěn)壓器內(nèi)壁的內(nèi)筒。正常工作時，容器內(nèi)上部的蒸汽約占總?cè)莘e的40%，下部的飽和水腔約占總?cè)莘e的60%。噴淋頭通過噴淋管和噴淋閥與主泵出口相接，波動管連接到考驗裝置出口，用以實時跟蹤回路溫度的變化。穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)圖

2.2 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計壓力為17.2 MPa；設(shè)計溫度為360℃；內(nèi)部凈容積為0.35 m3；蒸汽體積為0.14 m3；飽和水體積為0.21 m3；工作介質(zhì)為去離子飽和水、飽和蒸汽。

2.3 穩(wěn)壓器本體

穩(wěn)壓器本體由筒體、上封頭、下封頭和頂蓋組成。上封頭為球形封頭，與筒體采用直徑等壁厚連接，上封頭開有1個噴淋頭拆換孔，3個安全閥連接孔，4個儀表管連接孔。下封頭也為球形封頭，與筒體采用直徑等壁厚連接，下封頭開有9個電加熱元件套管孔，1個排空管連接孔，4個儀表管連接孔。頂蓋開有1個噴淋管連接孔、8個主螺栓連接孔。筒體與上、下封頭采用對接焊縫焊接，筒體與頂蓋通過主螺栓壓緊石墨纏繞不銹鋼墊片連接在一起。筒體、上封頭、下封頭和頂蓋均由不銹鋼鍛件制成。

2.4 波動管

波動管從筒體的側(cè)下部引入容器內(nèi)，而不是從下封頭底部引入。這樣避免了在開孔較多的下封頭開大孔，同時避免了波動管與電加熱元件和底座的相互干涉，還有利于波動水在容器內(nèi)的均勻傳播。

波動管由不銹鋼管彎制90°而成，波動管焊接在接管頭上，接管頭與來自考驗裝置出口的管道焊接在一起。

2.5 噴淋頭

噴淋頭由噴淋接管、鐵芯、管嘴、墊片與環(huán)組成。噴淋頭安裝在頂蓋上，便于檢修和拆換。噴淋水是通過噴淋接管而來的主泵出口水。其溫度低于穩(wěn)壓器內(nèi)水、氣飽和溫度。通過噴淋來凝結(jié)穩(wěn)壓器內(nèi)蒸汽，限制回路系統(tǒng)的超壓，維持回路的正常工作壓力。

2.6 電加熱元件

穩(wěn)壓器下封頭設(shè)置有單端插入式電加熱元件，共9根。電加熱元件套管與下封頭冷裝后焊接在一起，元件插入套管后通過螺母壓緊密封材料實現(xiàn)與穩(wěn)壓器的密封[7]。

在運行時，電加熱元件分為3組，啟動組、調(diào)節(jié)組、備用組各3根。其中啟動組與備用組具備通斷開閉的功能，調(diào)解組具備按比例投入的功能。

2.7 穩(wěn)壓器內(nèi)部構(gòu)件

穩(wěn)壓器內(nèi)部構(gòu)件有電加熱元件導(dǎo)向格架板、保護(hù)內(nèi)壁的內(nèi)筒等。在穩(wěn)壓器內(nèi)部共設(shè)有兩組格架板，格架板通過螺釘與焊接在穩(wěn)壓器內(nèi)部的支撐板相連接。內(nèi)筒為不銹鋼圓筒，內(nèi)筒通過支撐塊、螺紋塊與穩(wěn)壓器連接在一起。

2.8 支撐部件

穩(wěn)壓器支撐部件包含支撐筒、支腿、基座3個部分。

支撐筒為不銹鋼圓筒，支撐筒一端與穩(wěn)壓器下封頭焊接，另一端與支腿焊接；支腿由不銹鋼槽鋼加工預(yù)制而成，支腿一端與支撐筒焊接，一端與基座焊接；基座與支腿焊接在一起后通過地腳螺栓安裝在設(shè)備基礎(chǔ)上。

2.9 安裝部件

穩(wěn)壓器安裝部件由安裝預(yù)埋板與地腳螺栓組成，安裝預(yù)埋板為碳鋼圓環(huán)，地腳螺栓與安裝預(yù)埋板焊接在一起后澆筑在設(shè)備基礎(chǔ)之中。

3 穩(wěn)壓器抗震計算與應(yīng)力分析

穩(wěn)壓器屬于RCC-M規(guī)范的SC-2級設(shè)備，需通過進(jìn)一步的抗震計算與應(yīng)力分析來驗證結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以滿足RCC-M規(guī)范的要求。

3.1 載荷與工況

穩(wěn)壓器的工況分類分為設(shè)計工況、正常工況、異常工況、試驗工況等4種，涉及到的載荷有自重、設(shè)計壓力、操作壓力、試驗壓力、設(shè)計溫度、操作溫度、OBE載荷、SSE載荷、靜液壓力、液體擾動熱膨脹等11種[1]，各種工況下所涵蓋的載荷種類如表1所示。

表1 各種工況下的載荷組合表

3.2 應(yīng)力評定準(zhǔn)則

依據(jù)《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》的規(guī)定，各種工況下遵守的準(zhǔn)則級別及應(yīng)力限值應(yīng)該滿足表1規(guī)定。

3.3 計算模型

穩(wěn)壓器主體由上封頭、筒體和下封頭組成，采用Solid185單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算模型共由36 080個單元組成，上封頭、下封頭以及筒體通過節(jié)點耦合法進(jìn)行裝配。內(nèi)部構(gòu)件有電加熱元件導(dǎo)向格架板、保護(hù)內(nèi)壁的內(nèi)筒等，采用Solid185單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，內(nèi)筒由22 614 個單元組成，電加熱元件導(dǎo)向格板由12 366個單元組成。支撐部件包含支撐筒、支腿、基座3個部分，支撐筒、基座采用Solid185單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，支腿采用Beam189單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，支撐筒、基座與支腿采用Surface-Based Constraints方法進(jìn)行裝配，支撐部件計算模型共由13 794個單元組成。頂蓋采用Solid185單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其計算模型由8620個單元組成。主螺栓、螺母采用Solid185單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其計算模型由1032個單元組成。

表2 穩(wěn)壓器的應(yīng)力分析工況分類與評價準(zhǔn)則表[3]

圖6 穩(wěn)壓器在設(shè)計工況下的應(yīng)力分布圖

3.4 分析結(jié)果及評定

在設(shè)計工況下，穩(wěn)壓器的最大應(yīng)力強(qiáng)度為94.1 MPa。穩(wěn)壓器主體的最大應(yīng)力強(qiáng)度為93.7 MPa，主螺栓的最大應(yīng)力強(qiáng)度為17.4 MPa，頂蓋在的最大應(yīng)力強(qiáng)度為19.2 MPa。

在正常工況下，穩(wěn)壓器的最大應(yīng)力強(qiáng)度為84.9 MPa。穩(wěn)壓器主體的最大應(yīng)力強(qiáng)度為74.0 MPa，主螺栓的最大應(yīng)力強(qiáng)度為16.3 MPa，頂蓋的最大應(yīng)力強(qiáng)度為20.1 MPa。

在異常工況下，穩(wěn)壓器的最大應(yīng)力強(qiáng)度為93.7 MPa。穩(wěn)壓器主體的最大應(yīng)力強(qiáng)度為93.7 MPa，主螺栓的最大應(yīng)力強(qiáng)度為17.4 MPa，頂蓋的最大應(yīng)力強(qiáng)度為19.2 MPa。

在試驗工況下，穩(wěn)壓器的最大應(yīng)力強(qiáng)度為127 MPa。穩(wěn)壓器主體的最大應(yīng)力強(qiáng)度為127 MPa，主螺栓的最大應(yīng)力強(qiáng)度為24.3 MPa，頂蓋的最大應(yīng)力強(qiáng)度為30.1 MPa。

穩(wěn)壓器在設(shè)計工況、正常工況、異常工況及試驗工況下的各部件的薄膜應(yīng)力σm、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力σm+σb如表3所示。

表3 穩(wěn)壓器在各工況下的應(yīng)力分類及其對應(yīng)準(zhǔn)則的應(yīng)力限值對照表

4 結(jié)論

穩(wěn)壓器是反應(yīng)堆輻照考驗回路的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于控制冷卻劑的壓力波動，防止系統(tǒng)超壓。本文設(shè)計了由電加熱元件、噴淋閥、安全閥組成的壓力控制系統(tǒng)，并規(guī)定了壓差信號在-0.17～0.52 MPa范圍內(nèi)變化時各個調(diào)節(jié)單元的工作流程，達(dá)到了壓力控制的目的。本文還設(shè)計了由液位監(jiān)測儀表和補水系統(tǒng)組成的液位控制系統(tǒng)，并通過建立穩(wěn)壓器氣腔的平衡方程得到在正常波動和泄漏工況下液位高度與壓力的關(guān)系式，并根據(jù)該關(guān)系式規(guī)定了穩(wěn)壓器的液位控制流程。在壓力控制系統(tǒng)與液位控制系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了穩(wěn)壓器本體、波動管、噴淋頭、電加熱元件、內(nèi)部構(gòu)件、支撐部件、安裝部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為驗證穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)滿足RCC-M規(guī)范的要求，對穩(wěn)壓器在設(shè)計工況、正常工況、異常工況、試驗工況下的受力特性展開了分析，分析結(jié)果證明穩(wěn)壓器各個部位的應(yīng)力均小于設(shè)計限值，滿足規(guī)定要求。

綜上，穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、力學(xué)性能滿足規(guī)范要求，能在反應(yīng)堆輻照考驗回路中實現(xiàn)控制系統(tǒng)壓力波動、監(jiān)測回路冷卻劑是否出現(xiàn)泄漏、高壓停堆保護(hù)和低壓停堆保護(hù)的功能。