戴長清，宋毅明，王麗平

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233)

AP1000核電機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件共有4個能量吸收器，裝在堆內(nèi)構(gòu)件底部二次堆芯支撐組件中[1](見圖1)。它由支撐柱、緩沖套筒及外殼組成(見圖2)。

圖1 堆內(nèi)構(gòu)件二次堆芯支撐組件Fig.1 Secondary core support assembly of reactor vessel internals

在堆芯下落與壓力容器底部撞擊瞬間，能量吸收器內(nèi)緩沖套筒瞬間進(jìn)入塑性流動狀態(tài)，將大部分沖擊動能轉(zhuǎn)化為塑性變形能，從而對壓力容器底部的撞擊力大幅度降低[2]。因此，能量吸收器在堆芯突然發(fā)生跌落事故時起到緩沖，大幅降低對壓力容器底部的撞擊力，防止因壓力容器破損而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

圖2 能量吸收器半剖面Fig.2 Half section of energy absorber

能量吸收器原設(shè)計的加工公式是基于零件理論長度的，未考慮加工制造、組裝、壓力容器球底的不平、測量誤差等因素，易造成間隙不滿足要求。本文對原加工公式進(jìn)行了修正，對新的加工公式對能量吸收器長度的影響進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，有必要對原設(shè)計公式進(jìn)行優(yōu)化，以保證安裝結(jié)果符合設(shè)計要求，可為后續(xù)同類項(xiàng)目堆內(nèi)構(gòu)件安裝提供借鑒。

1 間隙要求

堆內(nèi)構(gòu)件底板和反應(yīng)堆壓力容器球底的熱態(tài)計算間隙為16.28 mm。如圖1所示，對應(yīng)冷態(tài)下間隙為26.9 mm。為保證安裝滿足設(shè)計計算要求，減輕事故工況堆芯跌落對反應(yīng)堆壓力容器的沖擊力，應(yīng)保證安裝完后的堆內(nèi)構(gòu)件底板和反應(yīng)堆壓力容器球底間隙小于26.9 mm，同時間隙下限應(yīng)確使熱態(tài)下堆內(nèi)構(gòu)件底板不會與反應(yīng)堆壓力容器球底接觸。因此，能量吸收器的長度并不在工廠預(yù)先加工好。而是散件發(fā)貨，放到現(xiàn)場加工。

現(xiàn)場對能量吸收器中的支撐柱長度加工后，將其與緩沖套筒、外殼三者組對焊接成為一個整體。

2 加工公式及存在的問題

加工公式的構(gòu)成為總體安裝高度減去各零部件高度(除能量吸收器支撐柱外)。

在堆內(nèi)構(gòu)件就位到反應(yīng)堆壓力容器后，將底板平放到反應(yīng)堆壓力容器球底(調(diào)平好)。測量得到堆芯支撐下板到底板之間的距離H值。H減去二次堆芯支撐柱、渦流抑制板的長度以及能量吸收器中的G值，再減去26.9 mm，即為能量吸收器中導(dǎo)向柱長度的加工后長度。加工公式為：

L=H-G-936 mm(西屋標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計公式)。

其中936 mm是指二次堆芯支撐柱，渦流抑制板的設(shè)計厚度再加上26.9 mm(預(yù)留26.9 mm的間隙)。

上述西屋的標(biāo)準(zhǔn)加工公式是基于設(shè)備完全按照圖紙尺寸制造的情況，剛好能保證堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值正好為26.9 mm。但是設(shè)備制造和安裝存在公差，且可能存在不符合項(xiàng)，容易造成最終的安裝間隙不滿足1中最大間隙要求。如下方面的問題，容易使最終的安裝間隙不滿足要求。

(1)制造尺寸與圖紙理論尺寸的有一定差別，特別是當(dāng)有不符合項(xiàng)發(fā)生時。

(2)反應(yīng)堆壓力容器球底非絕對球形，且有堆焊層，導(dǎo)致底板和球底之間存在不均勻間隙。

(3)焊接收縮以及其他不確定性因素影響，如測量誤差及測量溫差等。

3 優(yōu)化過程

SM1、HY1和SM2在前面機(jī)組的基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了不同程度的優(yōu)化。表1總結(jié)了三個機(jī)組所采取公式的變化過程。SM1和HY1分別進(jìn)行了兩次改進(jìn)，其中HY1的改進(jìn)公式是在SM1改進(jìn)公式基礎(chǔ)上優(yōu)化得到。SM2總結(jié)SM1和HY1的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，采取了HY1的改進(jìn)公式。表2總結(jié)了這些公式之間參數(shù)輸入量之間的差別。

表1 能量吸收器加工公式的優(yōu)化

Table 1 Modification for the energy absorber
machining formula

機(jī)組公式APP標(biāo)準(zhǔn)公式L=H-G-936SM1第一次修改L=H-G-934.6SM1改進(jìn)公式L=H-L1-L2-G-(26.9-0.38)+SmaxHY1第一次修改L=H-G-935.6HY1改進(jìn)公式L=H-L1-L2-G-(26.9-2.54)+SmaxSM2改進(jìn)公式L=H-L1-L2-G-(26.9-2.54)+Smax

表2 公式中各參數(shù)值的輸入來源比較

3.1 針對制造尺寸與圖紙理論尺寸的差別或偏離的改進(jìn)

二次堆芯支撐柱長度±0.08 mm，渦流抑制板的厚度公差為±0.5 mm。因此組裝好的長度偏離可達(dá)0.08+0.5=0.58 mm。在二次堆芯支撐柱和渦流抑制板在都滿足設(shè)計圖紙要求，極限情況下堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值可比26.9 mm大0.58 mm。

SM1和HY1的渦流抑制板因?yàn)橹圃觳环享?xiàng)其厚度與設(shè)計值就分別小了2 mm和1 mm多。為此，針對這種情況西屋一開始對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計公式進(jìn)行了修改，見表1中的SM1和HY1的第一次修改公式。

為消除到貨尺寸與圖紙尺寸的差別，SM1、HY1和SM2的改進(jìn)公式中，設(shè)計尺寸全部換成實(shí)際到貨尺寸。即將936 mm換成L1+L2，其中L1是指二次堆芯支撐柱的實(shí)際到貨長度，L2為渦流抑制板的實(shí)際厚度。

3.2 針對反應(yīng)堆壓力容器球底不平因素影響的改進(jìn)

反應(yīng)堆壓力容器球形底封頭整體鍛造而成，制造公差為(0，+1.5 mm)。內(nèi)部堆焊有5.6 mm厚的奧氏體不銹鋼。堆焊層的最小厚度要求僅為3.2 mm，與5.6 mm的設(shè)計要求之間存在2.4 mm的差異。因此，當(dāng)一個底面加工很好的底板貼到反應(yīng)堆壓力容器球底時，很可能會出現(xiàn)底板無法完全和反應(yīng)堆壓力容器球底貼合的情況，最大的間隙可達(dá)3.9 mm。因此，安裝好以后部分位置極限情況下堆內(nèi)構(gòu)件與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值可比26.9 mm大3.9 mm左右。表3中總結(jié)了不同機(jī)組的間隙值。

表3 不同機(jī)組底板與反應(yīng)堆壓力容器球底的間隙值

在改進(jìn)公式中，當(dāng)?shù)装逭{(diào)平后，選取4個點(diǎn)，記錄其與反應(yīng)堆壓力容器球底之間的最大間隙值，作為Smax。

3.3 針對焊接收縮和其他不確定性因素的改進(jìn)

能量吸收器的緩沖套筒和外殼之間的焊縫為坡口焊縫。外殼與底板之間為角焊縫。上述焊縫焊接完后，會使得能量吸收器在高度方向產(chǎn)生收縮。根據(jù)SM2的經(jīng)驗(yàn)，收縮量在0.8 mm左右。此外，測量誤差和測量溫度等，也會導(dǎo)致最終安裝間隙值增大，超出26.9 mm的要求。

為了確保最終間隙滿足26.9 mm的要求，在能量吸收器加工公式預(yù)先設(shè)定了一個間隙余量，即故意使最終間隙小于26.9 mm的要求。SM1機(jī)組的余量選取了0.38 mm，HY1和SM2在SM1的結(jié)果上，將這一余量增大，選取為2.54 mm。

4 結(jié)果分析

根據(jù)改進(jìn)公式和西屋APP標(biāo)準(zhǔn)公式得到的SM2機(jī)組能量吸收器支撐柱長度如表4所示。改進(jìn)公式得到的支撐柱長度要比原設(shè)計公式長4 mm以上。

表4 SM2兩種加工公式對支撐柱長度的影響比較

改進(jìn)公式與僅修正渦流抑制板厚度對能量吸收器支撐柱長度對能量吸收器長度的影響，如表5和表6所示。其中SM1改進(jìn)公式得到的結(jié)果要大1.3 mm，HY1公式改進(jìn)公式要大2.7 mm以上。差別來源主要是因?yàn)镾M1考慮的間隙余量比HY1少2.16 mm左右。

表5 SM1兩種加工公式對支撐柱長度的影響比較

表6 HY1兩種加工公式對支撐柱長度的影響比較

表4至表6的結(jié)果表明，改進(jìn)公式對能量支撐柱的長度影響是比較大的。

根據(jù)改進(jìn)公式得到的SM1、 HY1和SM2的最終安裝間隙，如表7所示。SM1因?yàn)橛嗔苛舻蒙伲糠謹(jǐn)?shù)據(jù)稍微超出26.9 mm，大0.22 mm左右。而HY1的最大間隙要比26.9 mm小2.15 mm，SM2為2.03 mm。因此，可得出：

(1)如果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)APP公式以及第一次修改公式來加工SM1的能量吸收器，間隙值將超出26.9 mm至少1.5 mm左右，這會使得SM1的安裝不滿足西屋原有設(shè)計分析報告，使得安全余量減少。

(2)HY1的改進(jìn)公式雖然最小間隙比26.9 mm減少了3.4 mm，SM2的為4.34 mm，但是這種減少不會使得熱態(tài)下二次堆芯和反應(yīng)堆壓力容器接觸。因此此種改進(jìn)公式對安裝來說是保守的，現(xiàn)場也容易實(shí)現(xiàn)。

表7 SM1、HY1和SM2根據(jù)改進(jìn)公式得到最終安裝間隙比較

5 結(jié)論

二次堆芯支撐是堆內(nèi)構(gòu)件中緩解堆芯跌落事故影響的重要部件。二次堆芯支撐與反應(yīng)堆壓力容器之間的計算間隙(冷態(tài))為26.9 mm。安裝過程中要保證最終間隙值小于26.9 mm的要求。這樣才能使得安裝結(jié)果符合設(shè)計計算分析，確保反應(yīng)堆事故下的安全。SM1、HY1和SM2的經(jīng)驗(yàn)表明，必須對能量吸收器的加工公式進(jìn)行修改，可為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒作用。