谷鳳玲，張貴濱，王超，張進(jìn)寶

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

?

三代核主泵全部飛輪組件飛射對(duì)壓力邊界的沖擊破壞分析*

谷鳳玲，張貴濱，王超，張進(jìn)寶

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

介紹了三代核反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)飛輪在反應(yīng)堆系統(tǒng)中的作用，重點(diǎn)闡述了作為安全相關(guān)部件-重金屬飛輪對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行和安全停堆的重要性。結(jié)合能量傳遞、能量損失的物理理論，通過(guò)主泵電機(jī)整個(gè)飛輪組件破裂、飛射的分析實(shí)例，推導(dǎo)出重金屬飛輪破裂飛射沖擊周?chē)鷫毫吔鐣r(shí)的能量損失的過(guò)程及飛射物對(duì)壓力邊界的影響，并與主泵設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)中的許用值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出安全裕度。該理論的推導(dǎo)和應(yīng)用對(duì)核主泵飛輪的破裂分析具有重要意義。

三代核主泵；飛輪；破裂；能量損失

0　引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，能源的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題日漸突出。作為世界能源的重要組成部分，核電以其清潔、高效、安全的優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越多的國(guó)家重視。我國(guó)人均能源資源占有率較低，且分布不均勻，因此大力發(fā)展核能對(duì)于改善我國(guó)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，降低環(huán)境污染，保障國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)安全具有重要意義。

第三代核主泵是大型先進(jìn)壓水堆反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的重要核一級(jí)設(shè)備，是反應(yīng)堆壓力邊界內(nèi)的唯一能動(dòng)設(shè)備，是非能動(dòng)型反應(yīng)堆的關(guān)鍵主設(shè)備。在第三代核主泵設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)中，重金屬飛輪被定義為安全相關(guān)部件。由于飛輪質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高，一旦出現(xiàn)事故，會(huì)產(chǎn)生高能飛射物，對(duì)反應(yīng)堆冷卻機(jī)泵組裝配造成較大震動(dòng)，甚至有可能會(huì)對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全殼或外設(shè)安全設(shè)施造成損壞，引起重大安全事故。飛輪材料的選用，結(jié)構(gòu)和安全性的設(shè)計(jì)分析是主泵設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是核主泵安全、可靠運(yùn)行的重要保證。在突發(fā)地震或洪澇等自然災(zāi)害下，飛輪會(huì)起到安全停堆、滿(mǎn)足惰轉(zhuǎn)需求，提供泵運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的作用。

1　傳統(tǒng)屏蔽電機(jī)的飛輪形式和第三代核主泵電機(jī)飛輪的主要區(qū)別

傳統(tǒng)屏蔽電機(jī)的一些機(jī)型存在一個(gè)飛輪，位于電機(jī)的上部；而某系列主泵電機(jī)在結(jié)構(gòu)上甚至沒(méi)有飛輪，僅靠轉(zhuǎn)子提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本文所述單級(jí)的離心式無(wú)密封屏蔽電動(dòng)泵中，存在兩個(gè)飛輪組件：上飛輪和下飛輪。飛輪增加了轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。上飛輪位于熱屏和上導(dǎo)軸承之間；下飛輪位于上、下推力盤(pán)之間。飛輪的材料選用一種可機(jī)加工的高密度鎢基金屬，這種材料的主要成份是鎢(含97%)，外加鎳和鐵金屬粉末，它可以在有限的空間體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以保證主泵的惰轉(zhuǎn)。在飛輪的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮飛輪轉(zhuǎn)速為1.25倍的電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，考慮了所有預(yù)期的超速工況。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)熱套、錐面配合、分塊鎢金結(jié)構(gòu)和在鎢金塊熱套高強(qiáng)度保持環(huán)，進(jìn)行軸向、徑向的固定和消除其綜合應(yīng)力。

2　重金屬飛輪結(jié)構(gòu)及原理

三代核主泵電機(jī)中也存在兩個(gè)飛輪(上飛輪和下飛輪)。飛輪包含在壓力邊界之內(nèi)，由輪轂、鎢金塊、高強(qiáng)度保持環(huán)及外殼等部件構(gòu)成。飛輪的保持環(huán)采用高強(qiáng)度材料，目的是起到限制鎢金塊的作用。主泵電機(jī)飛輪主要由飛輪組件和輪轂組成，組套在主泵電動(dòng)機(jī)的軸上。為了滿(mǎn)足飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求，上飛輪和下飛輪都具有較大的質(zhì)量和外徑。因此在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，飛輪承受較大的離心力。

在三代主泵飛輪的設(shè)計(jì)中，分析在主泵的運(yùn)行工況及突發(fā)事件中，飛輪是否能夠保持完整以及飛輪破裂后的高能量飛射物是否能穿過(guò)壓力邊界部件，對(duì)泵周?chē)娜嘶蛭锏陌踩a(chǎn)生威脅是十分必要的。國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)飛輪的完整性研究和關(guān)注程度日益增高，但對(duì)于飛輪完整性的研究經(jīng)驗(yàn)還比較少，基本通過(guò)解析法和有限元進(jìn)行計(jì)算分析，大部分關(guān)于飛輪完整性的研究主要是考慮過(guò)盈、額定轉(zhuǎn)速、超速(125%額定轉(zhuǎn)速)的應(yīng)力和變形等載荷工況，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和斷裂力學(xué)方面進(jìn)行分析，計(jì)算飛輪本體在規(guī)定工況下能夠保證其結(jié)構(gòu)完整性。

本文從能量消耗的角度闡述飛輪破裂后，飛射的重金屬對(duì)壓力邊界的影響。壓力邊界能否不被破壞，即飛射物不會(huì)穿透壓力邊界對(duì)周?chē)撕臀锏陌踩褪褂霉δ墚a(chǎn)生威脅，對(duì)整個(gè)核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

飛輪的破裂分析是在假設(shè)保持環(huán)已經(jīng)發(fā)生破裂的情況下進(jìn)行的，分析的目的是為了確保破裂飛輪的鎢金塊的能量不足以穿透壓力邊界，不會(huì)對(duì)主泵周?chē)娜嘶蛭镌斐赏{。飛輪的圓筒形外殼破壞過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段為非彈性沖擊和傳遞至保持環(huán)的動(dòng)量，如果塑性壓縮以及剪切應(yīng)變所消耗能量足以抵消飛輪的動(dòng)能的損失，外殼就不會(huì)產(chǎn)生剪切變形，然后進(jìn)入包含外殼塑性拉伸變形的第二階段。對(duì)于外殼來(lái)說(shuō)，其塑性拉伸變形的能量損耗必須抵消飛輪的殘余動(dòng)能。

3　飛輪組件對(duì)外殼沖擊的破壞分析

3.1上飛輪組件對(duì)飛輪外殼沖擊的破壞分析

在對(duì)整個(gè)飛輪進(jìn)行分析時(shí)，需要考慮全部組件的質(zhì)量，并計(jì)算整個(gè)組件的重心半徑

式中，Wmass—組件總質(zhì)量，包括鎢塊、保持環(huán)及外殼。

組件的初始速度為

V1=1.25×ωrad×rc

式中，rc—組件的重心半徑。

所有組件的初始動(dòng)能為

動(dòng)量傳遞過(guò)程中的能量損耗(階段1)可按下式計(jì)算

式中，M2—在外殼受到加速?zèng)_擊的質(zhì)量。

圖1和圖2為不同情況下M2的計(jì)算方法。按照這個(gè)方法，可以保守假設(shè)m22不起作用。主泵電機(jī)的封頭和隔熱屏起到保護(hù)飛輪的作用，忽略其他復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。從圖1，圖2中可以看出，忽略與封頭和隔熱屏組成的外殼接觸的長(zhǎng)度，可以假設(shè)M2只與豎直方向h1的高度有關(guān)。因此，M2=m21。

為了動(dòng)量有效傳遞，△E1必須在與外殼的沖擊接觸區(qū)域以應(yīng)變能的形式吸收掉。能量通過(guò)兩種途徑被吸收：(1)接觸面上外殼的壓縮；(2)接觸面邊緣的剪切變形。不發(fā)生破裂條件為(階段1)

Es+Ec>△E1

式中，Es—剪切應(yīng)變能；Ec—保護(hù)外殼的壓縮能，即外殼發(fā)生變形前與嵌入物接觸區(qū)域吸收的壓縮能的大小。

由于階段1保護(hù)外殼沒(méi)有發(fā)生穿透破壞，需要考核初始動(dòng)能E1的剩余部分△E2。階段2的能量必須以單軸拉伸應(yīng)變或雙軸拉伸應(yīng)變的形式被吸收。保護(hù)外殼的安全標(biāo)準(zhǔn)(階段2)為

E1>△E2

軸向拉伸應(yīng)變能Et可以有下式計(jì)算

Et=Q×εt×σd

式中，Q—在塑性流動(dòng)應(yīng)力σd作用下材料發(fā)生應(yīng)變的體積；εt—最大平均應(yīng)變；σd—材料壓縮過(guò)程的平均塑性流動(dòng)應(yīng)力。

初始動(dòng)能剩余部分

3.2全部下飛輪組件對(duì)飛輪外殼沖擊的破壞分析

在防止下飛輪破壞壓力邊界外殼計(jì)算中，采用的計(jì)算理念和上飛輪基本相同，不同之處為M2的計(jì)算方法。核主泵電機(jī)的下法蘭起到保護(hù)飛輪的作用，忽略其他復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。從圖2中可以看出，外殼向上或向下延伸的長(zhǎng)度小于3T，因此M2=m21+0.27m22

4　計(jì)算實(shí)例

結(jié)合反應(yīng)堆冷卻劑泵屏蔽電機(jī)飛輪裝配的主要尺寸數(shù)據(jù)和鎢合金飛輪結(jié)構(gòu)，應(yīng)用本文介紹的能量傳遞、能量損失以及在全部飛輪組件飛射時(shí)在壓力邊界上的應(yīng)變形式的理論，計(jì)算該核主泵電機(jī)飛輪發(fā)生全部組件飛輪飛射對(duì)周?chē)鷫毫吔绲臎_擊，并結(jié)合核主泵電機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)的要求，論證飛輪的安全性能。上飛輪裝配主要尺寸

飛輪外徑：980mm；飛輪厚度：308mm；

軸線到輪轂：580.4mm；

軸線到保持環(huán)：946mm；

上飛輪重量：3181kg。上飛輪全部組件對(duì)外殼沖擊破壞分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　上飛輪全部組件同時(shí)對(duì)外殼沖擊破壞分析計(jì)算結(jié)果　單位：kJ

下飛輪裝配主要尺寸

飛輪外徑：980mm；飛輪厚度：295.4mm；

軸線到輪轂：580.4mm；

軸線到保持環(huán)：946mm；

下飛輪重量：2183kg。下飛輪全部組件對(duì)外殼沖擊破壞分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　下飛輪全部組件同時(shí)對(duì)外殼沖擊破壞分析計(jì)算結(jié)果　單位：kJ

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)第三代反應(yīng)堆冷卻劑泵全部飛輪飛射時(shí)動(dòng)能的計(jì)算數(shù)據(jù)，與反應(yīng)堆冷卻劑泵設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)中許用的安全裕度對(duì)比分析后得出如下結(jié)論。

(1)從能量傳遞和能量損失的角度分析，核主泵電機(jī)中全部飛輪組件發(fā)生飛射時(shí)，在飛射物接觸到周?chē)鷫毫吔鐣r(shí)，將經(jīng)歷能力損失的兩個(gè)階段。第一階段為非彈性沖擊和傳遞至保持環(huán)的動(dòng)量，如果塑性壓縮以及剪切應(yīng)變所消耗能量足以抵消飛輪的動(dòng)能的損失，外殼就不會(huì)產(chǎn)生剪切變形，然后進(jìn)入包含外殼塑性拉伸變形的第二階段。對(duì)于外殼來(lái)說(shuō)，其塑性拉伸變形的能量損耗必須抵消飛輪的殘余動(dòng)能。

(2)通過(guò)實(shí)例計(jì)算，三代核主泵電機(jī)在125%額定轉(zhuǎn)速工況下，整個(gè)飛輪組件的飛射，其能量不足以穿透壓力邊界，不會(huì)對(duì)壓力邊界以外的人或物體產(chǎn)生安全威脅。

(3)該項(xiàng)理論的應(yīng)用與推廣，對(duì)今后的核反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)飛輪的破裂分析以及對(duì)整個(gè)反應(yīng)堆系統(tǒng)安全穩(wěn)定性分析，存在指導(dǎo)意義。

[1]EPRI. Advanced Light Water Reactor, Utility Requirement Document, VolumeⅠ,Palo Alto, CA,1990,(EPRI publication).

[2]EPRI. Advanced Light Water Reactor, Utility Requirement Document, VolumeⅢ,ALWR Passive Plant, Revision 7,12/1995,(EPRI publication).

[3]IAEA. Objectives for the Development of Advanced Nuclear Plant, IAEA-TECDOC-682.Vienna.1993.

[4]DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and GenerationⅣ Int′1 Forum. A Technology Roadmap for GenerationⅣ Nuclear Energy Systems, GIF002-00,12/2002.

[5]DOE. A Roadmap to Deploy New Nuclear Power Plants in the United States by 2010.VolumeⅡ，Main Report(internal),31/10/2001.

[6]Cummins W E, et al. Schulz. Westinghouse AP1000 Adanced Passive Plant. Symposium. Paper 3325, ICAPP′03, Cordoba,Spain,May4-7,2003.

[7]Winters J.AP1000 Construction.Item.

[8]Miller D.AP1000 Technology Transfer &Localization. Idem.

Analysis on Impact Damage of Pressure Boundary Caused by Whole Flying Flywheel of The Third Generation Reactor Coolant Pump

Gu Fengling，Zhang Guibin，Wang Chao，and Zhang Jinbao

(HarbinElectricPowerEquipmentCompanyLimited，Harbin150066,China)

This paper introduces the role of the third generation reactor coolant pump motor flywheel in the reactor system, and emphatically expounds importance of heavy metal flywheel ( the safety-related part) in operation and safe shutdown of whole system. Combined with physical theory of energy transfer and energy loss, energy loss process and influence of the whole flying flywheel on the surrounding pressure boundary are deduced based on fracturing and hitting analysis example of reactor coolant pump motor flywheel. Compared with allowable values in design specification of reactor coolant pump, the margin of safety is calculated. Derivation and application of this theory has practical significance for fracture analysis of reactor coolant pump motor flywheel.

The third generation reactor coolant pump；flywheel；fracture；energy loss

大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專(zhuān)項(xiàng)(2010ZX06001-13)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.09

TM303

A

1008-7281(2016)04-0027-004

谷鳳玲女1983年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事AP1000主泵電機(jī)的技轉(zhuǎn)和自主設(shè)計(jì)等工作.

2015-05-13