于興濤

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

首臺AP1000堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗(yàn)及關(guān)注點(diǎn)分析

于興濤

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

本文分析了AP1000堆內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計改進(jìn)對流致振動的影響；介紹了三門核電有限公司一號機(jī)組流致振動試驗(yàn)方法，并結(jié)合工程實(shí)際提出了試驗(yàn)期間需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

AP1000；流致振動；關(guān)注點(diǎn)

堆內(nèi)構(gòu)件是反應(yīng)堆中關(guān)鍵的設(shè)備之一，作為核燃料的載體，重要性不言而喻。根據(jù)規(guī)定[1]，首臺AP1000電站堆內(nèi)構(gòu)件被劃分為原型設(shè)計。當(dāng)完成流致振動試驗(yàn)，且無不可接受的振動現(xiàn)象，則可以認(rèn)定為有效原型。以后建造的AP1000其堆內(nèi)構(gòu)件將會被定義為非原型I類。因此三門核電有限公司一號機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗(yàn)非常重要，將會受到國內(nèi)、國際核電業(yè)主和監(jiān)管部門的廣泛關(guān)注。

1 設(shè)計改進(jìn)對流致振動的影響

AP1000堆內(nèi)構(gòu)件雖然被劃分為原型設(shè)計，但是按照布置、設(shè)計、尺寸和運(yùn)行工況并不表明它是唯一或首次設(shè)計。設(shè)計方從20世紀(jì)60年代開始設(shè)計核電廠，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。AP1000的參考電站可以追溯到三環(huán)路H.B.Robinson電廠。在AP1000的設(shè)計改進(jìn)項(xiàng)中有些對改善堆內(nèi)構(gòu)件的流致振動是有益的，有些也可能加重了流致振動的情況，下面對其進(jìn)行分析：

（1） AP1000壓力容器在下腔流道內(nèi)徑比原設(shè)計大，這樣也就減低了反應(yīng)堆冷卻劑的流速，對減小流致振動是有利的。

（2）AP1000采用了成熟堆芯圍筒設(shè)計。之前的老電廠多采用堆芯圍板、螺栓連接。相比圍板設(shè)計進(jìn)一步加強(qiáng)了剛度，降低了流致振動水平。

（3）AP1000取消了熱屏設(shè)計，采用了改進(jìn)的中子屏設(shè)計。此設(shè)計通過了實(shí)堆驗(yàn)證，流致水平較低。

（4）改良的下導(dǎo)向筒設(shè)計。AP1000的下導(dǎo)向筒對原標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計進(jìn)行了改良，改良后與原標(biāo)準(zhǔn)型在整體結(jié)構(gòu)上相差不大，頻率上也基本相同，流致振動水平也應(yīng)該基本相同。

（5）標(biāo)準(zhǔn)的上支撐柱設(shè)計也經(jīng)過了實(shí)堆驗(yàn)證。相對于下導(dǎo)向筒來說，上支撐柱的受力較小，而它的頻率更高，所以流致振動的余量較大。

（6）AP1000屏蔽式主泵和變頻器的應(yīng)用使主泵的啟動過程更加平順，另外與以往主泵相比葉輪葉片數(shù)相同[2]，所以泵的脈動水平與軸封泵基本相同。

（7）AP1000的吊籃直徑厚度與3XL反應(yīng)堆完全相同，其吊籃較3XL反應(yīng)堆增長，從結(jié)構(gòu)的角度來說這對其流致振動是不利的。

（8）AP1000采用了低溫的上封頭設(shè)計，靠吊籃上緣的旁通流保持較低的溫度，局部旁通流的流速較大，可能對IGA的振動產(chǎn)生不利影響。

2 流致振動試驗(yàn)簡介

試驗(yàn)由目視檢查和振動測量兩部分組成。

2.1 堆內(nèi)構(gòu)件的目視檢查

該檢查將會在熱試前、后分別執(zhí)行一次。熱試前的檢查結(jié)果作為基準(zhǔn)并與試驗(yàn)后的檢查結(jié)果進(jìn)行比對，以驗(yàn)證堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整，無磨損跡象。檢查的重點(diǎn)為：用于保持堆芯結(jié)構(gòu)位置的承載構(gòu)件；在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)起橫向、垂直和扭轉(zhuǎn)約束的結(jié)構(gòu)；失效后會對堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整性帶來不利影響的鎖緊結(jié)構(gòu)和螺紋結(jié)構(gòu)等。

2.2 堆內(nèi)構(gòu)件流致振動測量

振動測量和數(shù)據(jù)收集對于整個試驗(yàn)至關(guān)重要。確定傳感器的布置和數(shù)量是試驗(yàn)的基礎(chǔ)，振動測量位置的選擇主要基于以下考慮：模型應(yīng)力分析、工業(yè)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計控制文件要求、結(jié)構(gòu)重要性、是否為新設(shè)計等?；谶@些原則，確定使用93塊傳感器進(jìn)行測量，包括應(yīng)變、加速度、壓力脈動和位移四種類型。這些傳感器接線采用特殊的電纜引出頂蓋，最后與數(shù)采系統(tǒng)（DAQ）相連，實(shí)現(xiàn)測量振動的目的。測量將會在不同的溫度、壓力平臺下使用DAQ記錄堆內(nèi)構(gòu)件的振動情況，實(shí)際的測量涵蓋了電站正常運(yùn)行和可能遇到的各種瞬態(tài)工況。

3 AP1000流致振動試驗(yàn)的不同點(diǎn)

目前國內(nèi)壓水堆機(jī)組進(jìn)行過流致振動試驗(yàn)的只有兩個，分別是CNP600和VVER-1000，其堆內(nèi)構(gòu)件均有原型設(shè)計，只需要在熱試期間對堆內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行有限實(shí)測，而AP1000堆內(nèi)構(gòu)件被NRC劃分為原型設(shè)計，需要對堆內(nèi)構(gòu)件的振動情況進(jìn)行全面的測量。相比之下，首臺AP1000流致振動試驗(yàn)主要有以下不同：

測點(diǎn)多。在試驗(yàn)的過程中使用的各類傳感器多達(dá)93個，對于重點(diǎn)測量的IGA就使用了27個傳感器。而CNP600機(jī)組該試驗(yàn)過程中僅安裝了12個傳感器[3]。VVER-1000在該試驗(yàn)過程中安裝了35個傳感器。更多的測點(diǎn)，帶來了更加復(fù)雜的安裝問題，更大的數(shù)據(jù)分析量，試驗(yàn)難度進(jìn)一步加大。

全新設(shè)計的堆芯壓降模擬裝置。CNP600機(jī)組試驗(yàn)過程中使用了帶有濾網(wǎng)的堆芯過濾器模擬本應(yīng)由燃料組件產(chǎn)生的堆芯壓降，過濾器固定在堆芯下柵格板上，該裝置不僅能模擬壓差還可以攔截異物。VVER-1000機(jī)組試驗(yàn)過程中使用了1：1的模擬燃料組件。而AP1000機(jī)組試驗(yàn)期間使用了新的堆芯壓差模擬裝置FFR和GTFR，該套裝置主要起限流作用，過濾能力有限，其使用效果是否理想有待驗(yàn)證。

4 流致振動試驗(yàn)關(guān)注點(diǎn)分析

4.1 試驗(yàn)傳感器脫落風(fēng)險

在國內(nèi)已經(jīng)完成的兩次流致振動試驗(yàn)中，都發(fā)生了不同程度的傳感器或組件脫落事件。這說明脫落部件造成的異物風(fēng)險是存在的。為了避免風(fēng)險，安裝階段就應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制。在壓力容器扣蓋前再次對安裝情況進(jìn)行檢查，確保安裝牢固。

另外，盡早投用一回路松動件探測系統(tǒng)，這對于脫落部件探測可起到輔助作用。

4.2 采用全流量限制器（FFR）和導(dǎo)向管限流器（GTFR）的風(fēng)險

由于模擬燃料流阻的FFR和GFTR過濾能力有限，這就使一回路異物可能進(jìn)入蒸汽發(fā)生器傳熱管中，在冷卻劑帶動下高速運(yùn)動的金屬異物，可能導(dǎo)致傳熱管變形減薄或泄漏。為了防止此類事件的發(fā)生，需要在安裝和調(diào)試期間重視一回路防異物管理和清潔度控制。

4.3 臨時壓力邊界密封失效的風(fēng)險

堆內(nèi)試驗(yàn)傳感器電纜通過壓力容器頂部管嘴引出的，由于數(shù)量、規(guī)格和正式的電纜不同，因此為該試驗(yàn)設(shè)計了特殊的密封裝置。由于這些臨時密封位于一體化封頭內(nèi)，發(fā)生泄漏，不易發(fā)現(xiàn)，同時這些泄漏將威脅到控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)及棒位指示線圈的安全。所以在密封安裝階段應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，試驗(yàn)期間對密封裝置增設(shè)檢查點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

4.4 試驗(yàn)傳感器及附件的安裝和拆除風(fēng)險

目前應(yīng)變片和電纜扎帶安裝使用的電阻焊，系國內(nèi)首次應(yīng)用，其使用經(jīng)驗(yàn)不足。在安裝焊接的過程中，如果焊接熔深過大可能會在拆除過程中造成堆內(nèi)構(gòu)件母材損傷，如果熔深太小，則剝落強(qiáng)度不夠，在試驗(yàn)期間焊接附件容易脫落，造成一回路異物風(fēng)險。

4.5 無法實(shí)測部件的流致振動問題

由于流量分配裙筒處于壓力容器下部冷卻劑高流速區(qū)且與壓力容器焊接，無法安裝傳感器，只能通過理論分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的方式驗(yàn)證其振動問題。對于類似的部件在試驗(yàn)完成后的檢查階段和報告評估階段應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)束語

雖然三門一號機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件被認(rèn)定為原型設(shè)計，但它是基于成熟的壓水堆技術(shù)，且所有部件都經(jīng)過了實(shí)堆或模型驗(yàn)證，流致振動試驗(yàn)方法也滿足監(jiān)管當(dāng)局的要求。本文全面分析了執(zhí)行該試驗(yàn)時可能需要關(guān)注的問題，并結(jié)合工程實(shí)際就如何規(guī)避試驗(yàn)風(fēng)險提出了建議，以確保AP1000堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗(yàn)順利完成。

[1]U.S. Nuclear Regulatory Commission(NRC) Regulatoryguide 1.20,Rev.2.

[2]900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2007.

[3]葉奇蓁，喻丹萍，等.秦山核電二期工程反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗(yàn)[J].核動力工程，2003,24(2):87～90.

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