包堂堂，周強(qiáng)強(qiáng)，顧春輝，張志超，樂(lè)秀輝（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海　200233）

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嚴(yán)重事故工況高溫環(huán)境下爆破閥藥筒驅(qū)動(dòng)裝置可用性研究

包堂堂，周強(qiáng)強(qiáng)，顧春輝，張志超，樂(lè)秀輝
（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

摘要：本文利用通用流體計(jì)算軟件，建立了爆破閥傳熱模型，采用穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)求解器對(duì)AP1000型核電廠正常工況和嚴(yán)重事故工況下的爆破閥傳熱過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算與研究。計(jì)算過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥筒壁面最高溫度隨時(shí)間的變化，計(jì)算結(jié)果為驗(yàn)證爆破閥在嚴(yán)重事故工況下的可用性提供了理論依據(jù)。研究結(jié)論如下：正常工況下，藥筒壁面最高溫度約為75℃；嚴(yán)重事故工況下，閥體表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)分別采用10、50及100 W·m-2·K-1三種條件進(jìn)行計(jì)算，藥筒壁面最高溫度分別達(dá)到95.7℃、124.8℃及154.8℃。計(jì)算結(jié)果表明，嚴(yán)重事故期間，藥筒壁面最高溫度不超過(guò)160℃，不會(huì)對(duì)爆破閥所用火藥性能產(chǎn)生重大影響。

關(guān)鍵詞：爆破閥；嚴(yán)重事故；傳熱；可用性

首次引入AP1000非能動(dòng)壓水堆核電廠的爆破閥是執(zhí)行非能動(dòng)堆芯冷卻的關(guān)鍵設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、零泄漏、流通能力好、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足核電廠正常運(yùn)行和事故工況下堆芯冷卻回路對(duì)該閥門(mén)的功能要求［1-3］。

爆破閥的重要性在于其所承擔(dān)的功能：在核電廠正常運(yùn)行時(shí)，閥門(mén)保持零泄漏；在事故情況下，能夠按照要求可靠地開(kāi)啟。爆破閥的特殊性在于它是火工驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)：在閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)分析方法、制造工藝、試驗(yàn)與鑒定等方面，與常規(guī)核電閥門(mén)有著本質(zhì)區(qū)別。

爆破閥的首次應(yīng)用性、重要性和特殊性為其“賦予”了一系列技術(shù)難點(diǎn)，如爆破閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證技術(shù)、藥筒驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證技術(shù)、爆破閥的可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)。其中，在CAP1400型核電廠相關(guān)技術(shù)文件中要求爆破閥在嚴(yán)重事故工況下可用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)其功能的要求。核電廠嚴(yán)重事故是指超出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件之外，導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯嚴(yán)重?fù)p壞，并危及多層或所有用于防止放射性物質(zhì)釋放的屏障的完整性，從而造成環(huán)境放射性污染，造成巨大損失的事故［4］。嚴(yán)重事故現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致非常惡劣的高溫的安全殼環(huán)境，并且由于安全殼內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度較高，可能發(fā)生局部或整體燃燒，給設(shè)備安全性帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)［5］。

爆破閥動(dòng)作原理如下：在點(diǎn)火器接收到規(guī)定的點(diǎn)火指令信號(hào)后起爆，引爆藥筒內(nèi)推進(jìn)劑（火藥），產(chǎn)生高溫高壓氣體，將拉力螺栓拉斷，驅(qū)動(dòng)活塞加速向下運(yùn)動(dòng)，至行程末階段沖擊剪斷流道處密閉的剪切蓋，且剩余能量由緩沖組件吸收，從而驅(qū)動(dòng)閥門(mén)至全開(kāi)位置［6，7］。從爆破閥的工作原理中可以看出，藥筒內(nèi)火藥能否在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)被引爆是實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵因素之一。因此，需要分析在嚴(yán)重事故工況下，環(huán)境溫度的升高是否會(huì)導(dǎo)致爆破閥藥筒部分的溫度過(guò)度升高，使火藥失效或者引發(fā)火藥自燃，從而導(dǎo)致爆破閥誤開(kāi)啟。

本文利用通用流體計(jì)算軟件STAR CCM+，建立了爆破閥傳熱模型，對(duì)嚴(yán)重事故下爆破閥的傳熱過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析與討論，為驗(yàn)證爆破閥在嚴(yán)重事故下的可用性提供了理論依據(jù)。

1　計(jì)算模型介紹

1.1幾何模型處理

圖1-a為爆破閥幾何模型，為了便于計(jì)算網(wǎng)格模型的建立以及后續(xù)分析工作的開(kāi)展，特對(duì)幾何模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化處理：（1）去除螺栓、螺母、螺柱等“凸出”部件；（2）采用幾何修補(bǔ)技術(shù)，對(duì)去除上述部件后在閥體及閥蓋等部件處產(chǎn)生的孔洞進(jìn)行修補(bǔ)；（3）去除零部件邊緣的倒角，同時(shí)對(duì)零件表面進(jìn)行“光滑（smooth）處理”，消除微小結(jié)構(gòu)差異。經(jīng)過(guò)處理后的幾何模型如圖1-b所示，可見(jiàn)經(jīng)處理后的幾何模型表面更加“平滑”，便于后續(xù)數(shù)值模擬工作的開(kāi)展。

圖1　幾何模型簡(jiǎn)化處理Fig.1 Geometricmodel simplification

1.2計(jì)算網(wǎng)格模型及邊界條件介紹

計(jì)算網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行劃分，總計(jì)約480000個(gè)計(jì)算單元，如圖2所示。

圖2　計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational Grid

相較于傳統(tǒng)四面體或六面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格有更多的相鄰單元，對(duì)于梯度計(jì)算和當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確；多面體對(duì)幾何的變形沒(méi)有四面體敏感，通過(guò)采用智能網(wǎng)格處理工具，可使單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)融合、分裂等功能；相同幾何尺寸下多面體網(wǎng)格數(shù)量約為四面體網(wǎng)格數(shù)的五分之一，但計(jì)算精度相當(dāng)，同時(shí)其收斂速度、趨勢(shì)更優(yōu)于傳統(tǒng)四面體網(wǎng)格［8，9］。爆破閥閥體及閥蓋采用奧氏體不銹鋼制造而成，爆破閥結(jié)構(gòu)參數(shù)及所用材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　爆破閥材料及有關(guān)參數(shù)Table 1 Material and its related parameters

爆破閥前端連接核電廠一回路高溫冷卻劑，根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件，在正常工況下入口處可能會(huì)出現(xiàn)的最高溫度為321℃，因此在本文計(jì)算中將此溫度設(shè)置為閥門(mén)入口端溫度。同時(shí)爆破閥所處環(huán)境溫度為49℃，穩(wěn)態(tài)計(jì)算（正常工況）條件下，閥體表面與空氣的換熱系數(shù)采用自然對(duì)流下?lián)Q熱系數(shù)［10］的最大值10 W·m-2·K-1。在爆破閥經(jīng)歷嚴(yán)重事故工況之前，本文先采用穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對(duì)正常工況下的爆破閥溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算。

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖3-a為初始化后的溫度場(chǎng)分布圖，圖3-b為計(jì)算收斂后穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖。計(jì)算過(guò)程中對(duì)藥筒壁面的最高溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和輸出，監(jiān)測(cè)壁面位置如圖4所示（去除閥蓋）。穩(wěn)態(tài)計(jì)算過(guò)程中，藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)的變化如圖5所示。

圖3　穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of steady temperature field

由圖可知，隨著迭代次數(shù)的增加，熱量從閥門(mén)入口端慢慢傳遞至爆破閥其余部件，同時(shí)由于爆破閥表面和環(huán)境氣體存在對(duì)流換熱的過(guò)程，閥體各部位溫度逐漸趨于穩(wěn)定值。從藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)的變化曲線可知，當(dāng)?shù)綌?shù)超過(guò)500步以后，隨著迭代步數(shù)的繼續(xù)增加，藥筒壁面最高溫度不發(fā)生顯著變化，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂，此時(shí)藥筒壁面最高溫度約為70.6℃。

圖4　監(jiān)測(cè)壁面示意圖Fig.4 Diagram of Monitor Wall

圖5　藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)的變化Fig.5 The variation of the maximum temperatures of cartridge wall with iterations

2.2嚴(yán)重事故工況下的計(jì)算結(jié)果（瞬態(tài)）

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂的基礎(chǔ)上，考察嚴(yán)重事故工況對(duì)爆破閥藥筒壁面最高溫度的影響。其中嚴(yán)重事故工況下環(huán)境溫度包絡(luò)線如圖6所示，將該溫度曲線作為閥體周?chē)h(huán)境的初始邊界條件，利用瞬態(tài)求解器，計(jì)算嚴(yán)重事故時(shí)間段內(nèi)，藥筒壁面最高溫度隨時(shí)間的變化。

通常來(lái)說(shuō)，空氣在自然對(duì)流的條件下與金屬壁面的對(duì)流換熱系數(shù)約為1～10 W·m-2·K-1，而在嚴(yán)重事故工況下，考慮到可能會(huì)發(fā)生氫氣燃燒導(dǎo)致空氣流動(dòng)加劇，空氣與閥體表面可能會(huì)以強(qiáng)制對(duì)流的形式進(jìn)行換熱。而氣體強(qiáng)制對(duì)流［11］條件下，對(duì)流換熱系數(shù)大致在20～100 W·m-2·K-1之間。由于無(wú)法測(cè)定嚴(yán)重事故工況下，氣體和閥體表面的真實(shí)對(duì)流換熱系數(shù)，分別采用10、50 及100 W·m-2·K-1三種對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以包絡(luò)真實(shí)工況下的對(duì)流換熱系數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6　嚴(yán)重事故工況下環(huán)境溫度包絡(luò)線Fig.6 Ambient temperature envelope under severe accident condition

圖7　嚴(yán)重事故工況下藥筒壁面最高溫度隨時(shí)間變化Fig.7 The variation of the maximum temperatures of cartridge wall with time under severe accident condition

由圖7可知，隨著嚴(yán)重事故曲線的加載，藥筒壁面最高溫度逐步上升，在對(duì)流換熱系數(shù)為10、50及100 W·m-2·K-1的條件下，嚴(yán)重事故期間，藥筒壁面最高溫度分別為95.7℃、124.8℃及154.8℃。雖然嚴(yán)重事故曲線中的最高點(diǎn)溫度可達(dá)700℃左右，但由于高溫持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，因此在對(duì)流換熱系數(shù)為10 W·m-2·K-1的計(jì)算工況下，嚴(yán)重事故曲線下的兩個(gè)溫度波峰的沖擊并沒(méi)有對(duì)藥筒壁面溫度產(chǎn)生顯著影響，在整個(gè)嚴(yán)重事故時(shí)間內(nèi)藥筒壁面溫度都呈現(xiàn)比較平緩的上升趨勢(shì)。而在對(duì)流換熱系數(shù)為50及100 W·m-2·K-1的計(jì)算工況下，由于環(huán)境氣體和閥體表面換熱速度較快，從圖中可以看到兩個(gè)溫度波峰的沖擊對(duì)藥筒壁面溫度產(chǎn)生了較為顯著的影響，分別在3 000 s（第一個(gè)溫度波峰）和8 000 s（第二個(gè)溫度波峰）附近位置出現(xiàn)了藥筒壁面溫度最高溫度急劇上升的兩個(gè)區(qū)域。

2.3加密網(wǎng)格后計(jì)算結(jié)果介紹

在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行加密，主要對(duì)與空氣接觸的閥體表面部位以及零部件配合部位進(jìn)行加密，以消除微小結(jié)構(gòu)差異對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。加密后網(wǎng)格模型總計(jì)約2 170 000個(gè)計(jì)算單元，如圖8所示。

采用與本文上述類(lèi)似的計(jì)算方法，對(duì)加密后的爆破閥網(wǎng)格模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的溫度場(chǎng)計(jì)算。其中穩(wěn)態(tài)工況下藥筒壁面最高溫度隨迭代次數(shù)變化曲線如圖9所示；瞬態(tài)工況（嚴(yán)重事故工況）下藥筒壁面最高溫度隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。

由圖可知，正常工況下藥筒壁面溫度為75.9℃，而在嚴(yán)重事故工況下，對(duì)流換熱系數(shù)分別為10、50及100 W·m-2·K-1的三種計(jì)算條件下，藥筒壁面最高溫度分別為98.1℃、141.2℃及159.6℃。相對(duì)于加密前的計(jì)算網(wǎng)格模型，溫度略有上升，但變化不大（增幅在10%之內(nèi)）。

3　結(jié)論

根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，在嚴(yán)重事故工況下，藥筒壁面最高溫度不超過(guò)160℃。目前CAP1400型核電廠爆破閥所用火藥或根據(jù)國(guó)外配方研制，或由國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)獨(dú)立研制而成［12，13］，所有種類(lèi)火藥的熱分解溫度［14］均在250℃以上，僅有一種火藥的相變溫度［15］低于160℃，需要進(jìn)一步考察該火藥在160℃下的性能變化情況。由于本文計(jì)算所用假設(shè)條件偏于保守，另外，根據(jù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算分析結(jié)果顯示，嚴(yán)重事故工況下，爆破閥表面的水蒸氣可能會(huì)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，而水滴的蒸發(fā)過(guò)程會(huì)帶走一部分閥體熱量，這會(huì)阻礙藥筒壁面溫度的升高。綜合考慮各因素的影響，初步可以推測(cè)，在嚴(yán)重事故工況下，并不會(huì)對(duì)爆破閥火藥的性能產(chǎn)生重大影響，爆破閥藥筒驅(qū)動(dòng)裝置在嚴(yán)重事故工況下基本可以實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能。下一步還需繼續(xù)研究驅(qū)動(dòng)裝置所用電氣接插件能否經(jīng)受?chē)?yán)重事故工況的考驗(yàn)，以論證爆破閥整機(jī)在嚴(yán)重事故工況下的可用性。

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Study on Availability of Cartridge Drive Device of Squib Valve in High Temperature Condition under Severe Accident

BAOTangtang，ZHOUQiangqiang，GUChunhui，ZHANGZhichao，LE Xiuhui
（Shanghai Nuclear Engineering Researchand Design Institute，Shanghai200233，China）

Abstract：The heat transfer model of squib valve was established using general purpose computational fluid dynamics（CFD）code in this paper. The heat transfer process of squib valve under normal condition and severe accident condition was calculated and studied by using steady-state and transient solver. The max temperature of cartridge wall was monitored in real time，the calculation results provided theoretical basis for squib valve availability under severe accident condition. The main conclusions were as follows：the max temperature of cartridge wall under normal condition was about 75℃；The convective heat transfer coefficients used in this calculation were 10，50 and 100 W·m-2·K-1respectively，the max temperatures of cartridgewallinaccordancewiththisthreecalculationconditionswere 95.7℃，124.8℃and 154.8℃respectively. The calculation results showed that the max temperature of cartridge wall under severe accident condition was less than 160℃，which shall not have a significant impact on the squib valve propellant performance.

Keywords:squib valve；severe accident；heat transfer；availability

中圖分類(lèi)號(hào)：TL48

文章標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5360（2016）01-0038-05

收稿日期：2015-09-17修回日期：2015-10-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)—核電泵、閥、電氣設(shè)備及測(cè)量?jī)x表研制，項(xiàng)目編號(hào)2012ZX06002-015

作者簡(jiǎn)介：包堂堂（1986—），男，浙江東陽(yáng)人，工程師/博士，現(xiàn)主要從事動(dòng)力機(jī)械及工程/現(xiàn)主要從事核設(shè)備設(shè)計(jì)工作