本站小編為你精心準(zhǔn)備了淺談吊籃下掛分體式堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：通過對(duì)模塊式多用途小型壓水堆（ACP100）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了一種吊籃下掛的分體式堆內(nèi)構(gòu)件，其吊籃組件懸掛于反應(yīng)堆壓力容器中部并由壓緊筒組件壓緊，該結(jié)構(gòu)具有易于制造安裝、冷卻劑分流密封效果好、流量分配合理等優(yōu)點(diǎn)。力學(xué)分析、控制棒驅(qū)動(dòng)線綜合實(shí)驗(yàn)、堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有很好安全性和可靠性，滿足ACP100的功能需求。

關(guān)鍵詞：ACP100；堆內(nèi)構(gòu)件；力學(xué)分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

引言

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)的模塊式多用途小型壓水堆（ACP100）采用一體化設(shè)計(jì)布置，蒸汽發(fā)生器集成安裝于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部，主泵直接安裝在壓力容器主泵接管上，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆冷卻劑在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部的閉式循環(huán)。一體化布置對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件提出了具體的功能要求：滿足60a的使用要求；為57組燃料組件提供可靠的支承、約束以及精確定位；為20組控制棒組件提供保護(hù)和可靠導(dǎo)向；為20組驅(qū)動(dòng)桿提供橫向流保護(hù)；與反應(yīng)堆壓力容器一并為堆內(nèi)冷卻劑提供閉式循環(huán)流道，合理分配各區(qū)冷卻劑流量；屏蔽中子和γ射線，減少對(duì)反應(yīng)堆壓力容器的輻照損傷和熱應(yīng)力；為堆內(nèi)測(cè)量?jī)x表提供支承和導(dǎo)向；補(bǔ)償反應(yīng)堆壓力容器和堆內(nèi)相關(guān)設(shè)備的軸向制造誤差及熱膨脹差。ACP100反應(yīng)堆一體化布置方式導(dǎo)致反應(yīng)堆內(nèi)流道復(fù)雜，由此帶來的冷卻劑流道構(gòu)建、設(shè)備定位限位、堆內(nèi)密封分流、驅(qū)動(dòng)桿橫向流等問題，使得現(xiàn)有分散布置的堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)無法適用。而國內(nèi)外一體化反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的布置方案[1-3]，由于功能需求、布置方式、結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)成熟度等原因，均難以直接借鑒。基于上述原因，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院針對(duì)ACP100的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，開展了適用于模塊式一體化反應(yīng)堆的全新堆內(nèi)構(gòu)件——吊籃下掛分體式堆內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

1技術(shù)方案

1.1主輸入?yún)?shù)

ACP100堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)所需的外部輸入主參數(shù)包括設(shè)計(jì)壽命、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓差等（表1）。

1.2結(jié)構(gòu)方案

在分析評(píng)價(jià)分散布置壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，結(jié)合ACP100對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件的功能要求，提出了吊籃下掛分體式堆內(nèi)構(gòu)件，即“下掛式吊籃組件+壓緊組件+壓緊筒組件”組合，吊籃筒體、壓緊筒筒體軸向長(zhǎng)度相當(dāng)，有效解決了蒸汽發(fā)生器內(nèi)置帶來吊籃筒體過長(zhǎng)引起的制造安裝困難等技術(shù)問題。“軸向密封+ω型密封環(huán)”組合方式實(shí)現(xiàn)了冷卻劑匯集、分流和密封等多種要求。“橢球流量分配器+堆芯下板”組合方式解決了堆芯流量分布的不均勻性。吊籃下掛分體式堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)由下掛分體式吊籃組件、壓緊組件、開式管束型長(zhǎng)行程連續(xù)導(dǎo)向組件、壓緊筒組件、大補(bǔ)償量壓緊彈簧、ω型密封環(huán)等構(gòu)成（圖1），高9701.5mm，最大外徑Ф3245mm，堆內(nèi)構(gòu)件總重約54t。（1）下掛分體式吊籃組件下掛分體式吊籃組件主要是為燃料組件提供可靠的支承、約束以及精確的定位，合理分配進(jìn)入堆芯的流量。整個(gè)組件吊掛在壓力容器中部的支承臺(tái)階上，通過固定在壓力容器吊籃支承環(huán)上的定位鍵實(shí)現(xiàn)定位，通過設(shè)置在壓力容器筒體下端的徑向支承塊對(duì)吊籃組件實(shí)現(xiàn)徑向支承和假想吊籃斷裂事故下的軸向限位。吊籃組件結(jié)構(gòu)由1個(gè)吊籃筒體、1個(gè)堆芯下板、1組整體式圍筒組件、1個(gè)橢球式流量分配器、114個(gè)燃料組件下定位銷及機(jī)械連接件等組成。吊籃組件法蘭外徑為2436mm，堆芯段筒體外徑為2276mm，組件總高4726.5mm。整體式圍筒組件顯著減少了緊固件使用數(shù)量，提高了吊籃組件在堆內(nèi)高溫、高輻照、流致振動(dòng)環(huán)境下的可靠性。橢球式流量分配器固定在堆芯下板下端面上，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了下腔室冷卻劑在進(jìn)入堆芯之前的攪混及初次流量分配。（2）壓緊組件壓緊組件對(duì)燃料組件進(jìn)行壓緊限位，為控制棒導(dǎo)向組件提供定位和支承，并為堆內(nèi)測(cè)量?jī)x表提供導(dǎo)向和支承。壓緊組件結(jié)構(gòu)由1個(gè)支承板、1個(gè)壓緊筒體、1個(gè)堆芯上板、14組堆內(nèi)測(cè)量?jī)x表用導(dǎo)向支承組件及114個(gè)燃料組件上定位銷等組成。壓緊組件法蘭外徑為2436mm，筒身外徑為2181mm，組件高2116mm。（3）開式管束型長(zhǎng)行程連續(xù)導(dǎo)向組件控制棒導(dǎo)向組件主要是為控制棒組件提供導(dǎo)向及保護(hù)。開式管束型長(zhǎng)行程連續(xù)導(dǎo)向組件就位于壓緊組件上，上端通過法蘭支承、下端通過定位座定位，主要由1個(gè)支承法蘭、1個(gè)定位座、1根上部半方管Ⅰ型、1根上部半方管Ⅱ型、1根下部半方管Ⅰ型、1根下部半方管Ⅱ型、4個(gè)固定板、4根45°雙孔管、4根90°雙孔管、8根C形管和56個(gè)連接定位銷、56件緊固螺釘組成，總長(zhǎng)度為2065mm，有效導(dǎo)向長(zhǎng)度為2042mm。45°雙孔管、90°雙孔管和C形管是控制棒導(dǎo)向零部件，其余為支承定位零部件，用連接定位銷、緊固螺釘和焊接連接，構(gòu)成一個(gè)整體。組件2端為開式結(jié)構(gòu)，流通截面相等，冷卻劑從底端流入，由頂端和半方管側(cè)部開孔流出。（4）壓緊筒組件壓緊筒組件主要是將壓緊彈簧的壓緊載荷傳遞給壓緊組件以壓緊吊籃組件和燃料組件。壓緊筒組件由1個(gè)壓緊筒、1個(gè)上格架板、1個(gè)下格架板、4塊格架板托塊、14組堆內(nèi)測(cè)量?jī)x表用導(dǎo)向支承組件、20組驅(qū)動(dòng)桿保護(hù)管組件、10根熱電偶保護(hù)套管、6組堆測(cè)支承柱組件、24根導(dǎo)向管、24根支承管、24套導(dǎo)向管用固定裝置組成。壓緊筒組件法蘭外徑為3245mm，筒身外徑為2436mm，組件總高4925mm。在壓緊筒上部周向均勻布置8×36個(gè)的流水孔，經(jīng)堆芯加熱后的冷卻劑由此處均勻流出，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器環(huán)腔。驅(qū)動(dòng)桿保護(hù)管用于防止驅(qū)動(dòng)桿過度震蕩，堆內(nèi)測(cè)量?jī)x表用導(dǎo)向支承組件用于對(duì)堆內(nèi)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行導(dǎo)向和保護(hù)。（5）大補(bǔ)償量壓緊彈簧大補(bǔ)償量壓緊彈簧主要是為堆芯部件提供足夠軸向壓緊力，同時(shí)補(bǔ)償堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器軸向制造公差、安裝誤差以及熱態(tài)工況下不同材料之間的熱脹差。因壓緊筒與壓力容器材料不同，在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，兩者之間熱膨脹差值較大，大補(bǔ)償量壓緊彈簧要求具備較大的壓縮變形能力。大補(bǔ)償量壓緊彈簧為圓環(huán)狀的Z形彈簧，由鍛件整體制造而成，位于壓緊筒組件的法蘭上，由法蘭臺(tái)階面為其提供支承和限位。壓緊彈簧外徑2880mm，內(nèi)徑2346mm，高96mm，設(shè)計(jì)最大可壓縮量達(dá)13mm。（6）ω型密封環(huán)ω型密封環(huán)位于吊籃組件和分流板之間，利用吊籃與壓力容器的熱脹差來軸向壓緊，實(shí)現(xiàn)對(duì)主泵2側(cè)冷卻劑的隔離和密封。ω型密封環(huán)結(jié)構(gòu)由2個(gè)鎳基合金環(huán)管開槽組合焊接而成。密封環(huán)外徑為2331mm，自由高度60mm，最大壓縮量2mm。

1.3材料選擇

ACP100堆內(nèi)構(gòu)件的主體材料選用了符合RCC-M規(guī)范的Z2CN19-10（控氮）奧氏體不銹鋼，壓緊彈簧材料采用Z12CN13馬氏體不銹鋼，堆內(nèi)密封環(huán)采用NC19FeNb鎳基合金。所用材料均為成熟工程應(yīng)用材料，避免了使用新材料所帶來的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2理論計(jì)算分析

堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)的安全等級(jí)為3級(jí)、抗震類別為Ⅰ類，質(zhì)量保證分級(jí)為QA1級(jí)，對(duì)設(shè)計(jì)的重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析和流場(chǎng)分析。

2.1力學(xué)分析

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，主要考慮下列載荷的組合：其他結(jié)構(gòu)（如燃料組件及其相關(guān)組件等）施加的載荷；堆內(nèi)構(gòu)件自重；由支承、壓緊或約束產(chǎn)生的反作用力；反應(yīng)堆冷卻劑流動(dòng)形成的壓差載荷；地震載荷；控制棒落棒所產(chǎn)生的載荷；溫度效應(yīng)、溫度梯度和熱脹差所引起的載荷；冷卻劑沖擊、流動(dòng)引起的載荷；瞬時(shí)壓差載荷，如主冷卻劑管道破裂產(chǎn)生的載荷；機(jī)械振動(dòng)載荷；在換料或在役檢查的準(zhǔn)備過程或進(jìn)行中所產(chǎn)生的操作載荷。（1）整體應(yīng)力分析對(duì)壓緊彈簧、壓緊筒組件、壓緊組件、吊籃組件采用ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)力分析并采用RCC-M規(guī)范進(jìn)行評(píng)定：式中，Pm為總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度；Pb為彎曲應(yīng)力強(qiáng)度；Sm為材料的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度；321++表示3個(gè)一次主應(yīng)力之和。組件典型的分析結(jié)果如圖2所示，分析結(jié)果表明，堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平滿足RCC-M規(guī)范的限值要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。（2）導(dǎo)向組件變形分析計(jì)算結(jié)果表明，導(dǎo)向組件的最大等效應(yīng)力為48.5MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力111MPa，結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.095mm（圖3），對(duì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向無影響，可忽略不計(jì)。（3）壓緊彈簧特性分析熱態(tài)設(shè)計(jì)工況下，采用ANSYS計(jì)算壓緊筒與壓力容器的熱膨脹差，并得出壓緊力為2.37×106N，壓緊彈簧最大應(yīng)力為384MPa（圖4），小于該材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服極限（514.5MPa）。（4）過盈咬合連接分析對(duì)構(gòu)件之間的過盈咬合連接采用了理論公式計(jì)算和有限元計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析。本文計(jì)算中的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)為機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]中第5篇第4章2.2節(jié)的圓柱面過盈連接，連接件的結(jié)合壓強(qiáng)Pf,max計(jì)算公式為：式中，fd為結(jié)合直徑；max為配合過盈量；Ea為包容件材料彈性模量；Ei為被包容件材料彈性模量；qa為包容件的直徑比；qi為被包容件的直徑比；av為包容件泊松比；iv為被包容件泊松比。計(jì)算得結(jié)合壓強(qiáng)值Pf,max=131.3MPa。根據(jù)相同尺寸建立有限元分析模型，采用非線性接觸分析，結(jié)構(gòu)單元選SOLID185，接觸單元選CONTA174和TARGE170，材料參數(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)原型的對(duì)稱性，在建模時(shí)取四分之一的結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)化計(jì)算。計(jì)算后得到了接觸面的接觸壓強(qiáng)為123.013~140.311MPa（平均值約為131.6MPa）。

2.2流場(chǎng)分析

對(duì)橢球形下腔室結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，采用計(jì)算流體力學(xué)CFX軟件開展流場(chǎng)分析。由分析結(jié)果可知，橢球式流量分配器的流量分配特性相對(duì)于無任何結(jié)構(gòu)的原始方案有大幅改善。歸一化處理后組件最小流量份額從75%提高至94%，組件最大流量份額從123%降至107%，流量分配趨勢(shì)匹配功率分布呈中心區(qū)域偏大、外圍區(qū)域偏小的總體趨勢(shì)，滿足熱工水力設(shè)計(jì)92%~108%要求。

3性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1驅(qū)動(dòng)線綜合試驗(yàn)

進(jìn)行了控制棒驅(qū)動(dòng)線綜合試驗(yàn)（冷態(tài)試驗(yàn)、熱態(tài)試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)），以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)線（含典型堆內(nèi)構(gòu)件樣件）設(shè)計(jì)的合理性、可靠性以及檢驗(yàn)控制棒組件自由落棒的時(shí)間是否滿足安全要求。試驗(yàn)前后導(dǎo)向組件抽插力測(cè)試基本無變化，均在5N左右，小于設(shè)計(jì)中20N要求。綜合試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件樣件進(jìn)行了檢查，所有結(jié)構(gòu)完好，緊固件無松動(dòng)、焊縫無裂紋，雙孔管和C形管內(nèi)部無明顯磨損。

3.2堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)的可靠性，了解各主要部件的固有振動(dòng)特性、流致振動(dòng)相應(yīng)水平以及在反應(yīng)堆運(yùn)行過程是否會(huì)產(chǎn)生異常的振動(dòng)而影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行，開展了1∶2堆內(nèi)構(gòu)件樣件研制并完成了堆內(nèi)構(gòu)件流致振動(dòng)特性測(cè)試和耐振試驗(yàn)。振動(dòng)次數(shù)超過7×106次的耐振試驗(yàn)結(jié)果表明：堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整，無明顯形變；過盈配合連接、螺栓緊固連接狀況良好，無松動(dòng)脫落；壓緊彈簧無明顯磨損。

4結(jié)論

結(jié)合ACP100反應(yīng)堆一體化布置特點(diǎn)進(jìn)行了吊籃下掛分體式堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)研究，并通過理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明吊籃下掛分體式堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)科學(xué)合理、安全可靠，堆芯流量分配均勻，控制棒導(dǎo)向性能優(yōu)異，整體耐振效果良好，完全滿足ACP100對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件的用途要求。該研究結(jié)果可以應(yīng)用于ACP100的工程施工設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

作者：張宏亮 范恒 許斌 王留兵 陳訓(xùn)剛 徐海波 劉曉 李浩 單位：中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室