呂 瑩1，劉潤(rùn)發(fā)1，劉鵬飛,賀隆坤

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233；2.上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

0 引言

壓水堆核電廠(chǎng)反應(yīng)堆壓力容器(RPV)支座起到支承RPV的作用，用來(lái)承載反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)的重量及主管道的載荷，并將載荷傳遞到反應(yīng)堆廠(chǎng)房建筑混凝土上。在核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)中RPV支座屬ASME核安全1級(jí)支承，對(duì)保證反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)和位置的穩(wěn)定性具有重要作用[1-3]。

為了保障與RPV支座接觸的混凝土長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性，要求反應(yīng)堆壓力容器支座與一次屏蔽混凝土的接觸溫度不能超過(guò)93 ℃[1,4]。目前，壓水堆核電廠(chǎng)壓力容器支座的溫度場(chǎng)研究還很欠缺，已有的少量研究也主要集中在數(shù)值分析方面[5-6]，相應(yīng)的試驗(yàn)研究尚屬空白。

1 反應(yīng)堆壓力容器支座布置及結(jié)構(gòu)

1.1 RPV支座布置

核電廠(chǎng)壓力容器的4個(gè)支座沿一次屏蔽墻按90°分布，分別與壓力容器的4個(gè)接管的支承凸臺(tái)接觸，從而支撐整個(gè)壓力容器。圖1為支座與壓力容器接管、混凝土位置關(guān)系的剖面圖，圖2為支座與壓力容器接管布置立體圖。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器支座布置示意[1]

圖2 反應(yīng)堆壓力容器支座結(jié)構(gòu)立體圖

壓力容器接管溫度接近300 ℃，熱量從接管支承凸臺(tái)傳遞到支座，并進(jìn)一步傳遞到支座底面的混凝土(見(jiàn)圖1)。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)規(guī)定，在正常運(yùn)行和任何長(zhǎng)期運(yùn)行工況下，一次屏蔽混凝土的局部最高溫度不應(yīng)超過(guò)93 ℃[1,4]。因此，壓力容器支座的溫度場(chǎng)分布，尤其是與混凝土接觸的支座底面的最高溫度成為支座設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵約束之一，應(yīng)避免超過(guò)許用溫度，防止發(fā)生嚴(yán)重事故。

1.2 RPV支座結(jié)構(gòu)

RPV支座主體結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱(chēng)、內(nèi)部中空的箱式金屬支座，包括空氣入口、空氣出口、散熱片和支承肋板等組件。圖3為支座的結(jié)構(gòu)示意圖。RPV支座采用內(nèi)部空氣強(qiáng)制對(duì)流的冷卻方式。冷卻空氣從空氣入口進(jìn)入RPV支座，流經(jīng)支座內(nèi)部腔體流道，通過(guò)多組設(shè)置于支座內(nèi)腔的散熱片帶走支座熱量，并從4個(gè)空氣出口流出。支座頂部中間凹形區(qū)域與RPV接管接觸，起到支承和限位RPV的作用，并將RPV接管的熱量載荷直接傳輸?shù)絉PV支座。RPV支座底面下方直接接觸混凝土鋼結(jié)構(gòu)，該鋼結(jié)構(gòu)為厚度約10 cm的鋼板，溫度會(huì)直接傳遞到混凝土，因此需要控制RPV支座底面最高溫度，避免支座下方與之接觸的混凝土溫度過(guò)高。

圖3 壓力容器支座本體結(jié)構(gòu)示意

2 溫度場(chǎng)試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)由支座試驗(yàn)件、支座加熱系統(tǒng)、風(fēng)道加熱系統(tǒng)、入口空氣轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)等主要系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)(測(cè)控系統(tǒng)、支座試驗(yàn)件支撐系統(tǒng)等)組成。

2.1.1 支座試驗(yàn)件

壓力容器支座試驗(yàn)件的實(shí)物外形如圖4所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 壓力容器支座試驗(yàn)件外形

圖5 支座試驗(yàn)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)件由多個(gè)承重面板焊接而成，由左右對(duì)稱(chēng)的內(nèi)部中空箱體組成，設(shè)有4個(gè)同尺寸空氣進(jìn)口和4個(gè)同尺寸空氣出口。試驗(yàn)時(shí)，背部2個(gè)空氣進(jìn)口用螺紋連接的金屬蓋板進(jìn)行密封，模擬實(shí)際工況。試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料牌號(hào)、焊接坡口和加工工藝均與工程實(shí)際一致。

2.1.2 支座加熱系統(tǒng)

支座加熱系統(tǒng)的主要功能是使支座凹形區(qū)域的溫度保持在287 ℃附近(±3 ℃)，與工程設(shè)計(jì)工況下支座實(shí)際接觸RPV接管部分的溫度一致。加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)成5個(gè)板式加熱器，額定功率120 kW，由底部3個(gè)30 kW和兩側(cè)2個(gè)15 kW板式加熱器組成。加熱系統(tǒng)具有連續(xù)調(diào)節(jié)能力。由于試驗(yàn)周期為秋冬季節(jié)，試驗(yàn)時(shí)冷空氣會(huì)帶走熱量，溫度邊界可能會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。因此，為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，加熱系統(tǒng)采用溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，加熱器和支座凹形區(qū)域周?chē)捎檬薜炔牧习采w，進(jìn)行保溫。

2.1.3 風(fēng)道加熱系統(tǒng)

風(fēng)道加熱系統(tǒng)(見(jiàn)圖6)的主要功能是將由風(fēng)機(jī)出來(lái)的冷空氣加熱至滿(mǎn)足試驗(yàn)條件的支座入口空氣溫度。設(shè)計(jì)工況下入口溫度為35.35 ℃，考慮到入口溫度敏感性試驗(yàn)和試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度，風(fēng)道加熱系統(tǒng)具備升溫40 ℃的加熱能力。入口溫度調(diào)節(jié)精度為±1 ℃。加熱系統(tǒng)選用風(fēng)道式加熱器。加熱器具有連續(xù)調(diào)節(jié)加熱功率能力，根據(jù)支座試驗(yàn)件空氣入口溫度調(diào)節(jié)加熱功率，確?？諝馊肟跍囟葷M(mǎn)足試驗(yàn)工況要求。

圖6 風(fēng)道加熱系統(tǒng)示意

2.1.4 入口空氣轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

入口空氣轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)試驗(yàn)條件要求，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速改變支座空氣入口流速?；鶞?zhǔn)工況下入口流速為6.25 m/s，考慮入口流速敏感性試驗(yàn)要求(3～9 m/s)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量選擇為6 000 m3/h。入口風(fēng)速采用熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)量，測(cè)量精度為±0.3 m/s。

2.2 試驗(yàn)方法

支座的溫度場(chǎng)尤其是支座底面的溫度分布對(duì)屏蔽墻混凝土的安全性具有重要影響。因此，支座底面與混凝土鋼結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的溫度場(chǎng)是重點(diǎn)測(cè)量的區(qū)域。

圖7 壓力容器支座底部溫度測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)目前已有的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果[5-6]可知，整個(gè)支座底板溫度較高位置是位于壓力容器接管下方的區(qū)域，該區(qū)域是需要測(cè)量的關(guān)鍵位置。所以針對(duì)支座底面制定了如圖7所示的溫度測(cè)量位置方案。通過(guò)稀-疏結(jié)合的方式，既可以有效地獲得關(guān)鍵位置的溫度分布，也可以減少測(cè)點(diǎn)布置。在支座的其他關(guān)鍵位置，如散熱片、冷卻空氣出口端和支座側(cè)面等位置，也布置一定數(shù)量的測(cè)點(diǎn)。

本試驗(yàn)采用NI的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，溫度采集用PXIe-4353板卡(采集精度為0.3 ℃)，風(fēng)速采集用Omega TVS-1100風(fēng)速和溫度測(cè)量?jī)x(精度為2%)。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)量參數(shù)包括流速和溫度，共66個(gè)測(cè)量信號(hào)(通道)。根據(jù)儀表類(lèi)型和傳感器布點(diǎn)位置，對(duì)試驗(yàn)回路所有測(cè)量信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一分類(lèi)和編號(hào)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)的核心目標(biāo)是完成支座試驗(yàn)件的溫度場(chǎng)分布測(cè)量，獲得試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫度及速度數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。

3.1 試驗(yàn)條件

支座試驗(yàn)件風(fēng)道入口溫度35.35 ℃；入口風(fēng)速6.25 m/s；支座試驗(yàn)件與板式加熱器接觸面溫度287 ℃。

支座試驗(yàn)件溫度穩(wěn)定后每5 min取一次平均值，共取5次，所得的支座加熱系統(tǒng)溫度測(cè)量結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，支座加熱系統(tǒng)的溫度范圍在287 ℃附近，說(shuō)明加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)果表明，風(fēng)道入口風(fēng)速穩(wěn)定維持在6.25 m/s(±0.3 m/s)，入口溫度穩(wěn)定維持在35.35 ℃(±1 ℃)，滿(mǎn)足試驗(yàn)條件要求。

圖8 支座加熱系統(tǒng)溫度分布

3.2 支座溫度場(chǎng)結(jié)果

3.2.1 支座底面溫度場(chǎng)分布

支座溫度穩(wěn)定后每5 min取一次平均值，共取5次，所得的支座底面溫度場(chǎng)分布如圖9中試驗(yàn)測(cè)量值所示。從圖9可以看出，支座底面溫度以縱向中心線(xiàn)近似對(duì)稱(chēng)分布，呈“拋物線(xiàn)”形式；越靠近中心線(xiàn)的位置，支座底面溫度越高，這是因?yàn)橹ё酌婵v向中心線(xiàn)區(qū)域位于RPV接管接觸面的下方，所以此處的支座底面溫度最高。本次試驗(yàn)測(cè)得支座底面溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在支座縱向中心線(xiàn)上，最高溫度38 ℃左右；測(cè)得支座底面最低溫度17 ℃左右，出現(xiàn)在支座底面肋板下方區(qū)域，此處區(qū)域距離RPV接管最遠(yuǎn)。

圖9 支座底面溫度場(chǎng)分布(數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量對(duì)比)

圖9中另一曲線(xiàn)是支座底面溫度場(chǎng)分布情況數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。支座模擬計(jì)算采用有限元軟件Fluent數(shù)值模型，支座和內(nèi)部空氣的接觸面以“Coupled”方式模擬支座與空氣的熱交換[7-12]，模擬計(jì)算選用參數(shù)與試驗(yàn)條件選用參數(shù)相同。由圖9可以看出，反應(yīng)堆壓力容器支座試驗(yàn)測(cè)量值和數(shù)值模擬所得底面溫度分布情況趨勢(shì)相同，靠近中心線(xiàn)位置底面溫度越高，逐漸向支座兩側(cè)遞減；支座底面溫度場(chǎng)數(shù)值模擬值與試驗(yàn)測(cè)量值基本一致，部分溫度差值有較小偏差。因此，1∶1支座模型試驗(yàn)測(cè)量所得的支座底面溫度驗(yàn)證了支座數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)，支座試驗(yàn)測(cè)量溫度遠(yuǎn)小于溫度限值93 ℃，說(shuō)明支座設(shè)計(jì)的可靠性。

3.2.2 支座本體溫度場(chǎng)分布

支座溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，在支座本體上選取5個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，獲得了支座本體試驗(yàn)工況下的溫度場(chǎng)分布(見(jiàn)圖10)。圖11為支座本體溫度場(chǎng)分布情況數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比圖。

圖10 支座本體溫度場(chǎng)分布(試驗(yàn)測(cè)量)

圖11 支座本體溫度場(chǎng)分布(數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量對(duì)比)

從圖10可以看出，支座本體的溫度分布也很不均勻。支座本體越靠近壓力容器接管的區(qū)域溫度較高，越靠近支座底面溫度越低。選取的傳感器測(cè)點(diǎn)最高溫度56 ℃左右，最低溫度31 ℃左右。另外還可以看出，支座垂直方向的位置差異(距支座底面距離)相比水平方向的位置差異(距支座中心線(xiàn)距離)對(duì)溫度場(chǎng)的影響更顯著。因此，選擇了與支座底面距離差值較大的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4與支座模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。由圖11可以看出，支座本體溫度場(chǎng)數(shù)值模擬值與試驗(yàn)測(cè)量值和溫度分布趨勢(shì)基本一致，部分溫度差值略有小幅差異，同樣證明了支座數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3.2.3 入口冷卻空氣風(fēng)速影響

為了進(jìn)一步研究不同入口空氣冷卻風(fēng)速對(duì)支座底面溫度場(chǎng)的影響，本文研究了4種不同風(fēng)速下(3,5,7,9 m/s)支座底面的溫度場(chǎng)分布，如圖12所示?？梢钥闯觯煌肟诳諝怙L(fēng)速下，支座底面溫度場(chǎng)分布都呈現(xiàn)類(lèi)似“拋物線(xiàn)”形式。支座底面溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在縱向中心線(xiàn)上，溫度向兩側(cè)逐漸降低，且關(guān)于縱向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。隨著風(fēng)道入口風(fēng)速的提高，支座底面溫度逐漸降低，如風(fēng)速3 m/s時(shí)，支座底面最高溫度41 ℃左右；風(fēng)速9 m/s時(shí)，支座底面最高溫度36 ℃左右。同時(shí)，入口風(fēng)速變化對(duì)支座底面靠近中心處的影響比兩側(cè)的影響要大。隨著入口風(fēng)速的提高，其對(duì)支座底面溫度的影響力逐漸減弱(如風(fēng)速?gòu)? m/s增大到9 m/s的溫度變化已經(jīng)不明顯)。

圖12 支座入口空氣風(fēng)速對(duì)支座底面溫度影響曲線(xiàn)

4 結(jié)論

首次完成了反應(yīng)堆壓力容器支座溫度場(chǎng)實(shí)體同等比例模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力容器支座底面的溫度場(chǎng)以縱向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，整體呈“拋物線(xiàn)”形式分布，越靠近支座中心線(xiàn)的位置溫度越高。正常工況下支座底面最高溫度38 ℃左右，遠(yuǎn)小于安全限值(93 ℃)，驗(yàn)證了反應(yīng)堆壓力支座內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和進(jìn)出風(fēng)口布置的合理性和可靠性。

通過(guò)設(shè)置不同入口空氣風(fēng)速的試驗(yàn)，研究表明，隨著入口空氣風(fēng)速增大，支座底面溫度降低，尤其對(duì)支座底面最高溫度影響較大；入口風(fēng)速增大到一定程度后，對(duì)支座底面溫度的影響不再顯著。