林藝軍，何少華，郭 亮

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 功能與結(jié)構(gòu)

秦山核電320 MWe機(jī)組水下燃料運(yùn)輸通道為安全殼貫穿件，為核安全2級(jí)(MC級(jí))、抗震I類設(shè)備，用于連通反應(yīng)堆廠房換料水池和燃料廠房貯存水池，停堆換料期間，為新、乏燃料組件及其他放射性組件和物品提供運(yùn)輸通道。在反應(yīng)堆運(yùn)行期間及事故期間，運(yùn)輸通道的部分部件成為安全殼的壓力邊界，同時(shí)具有防止燃料廠房貯存水池池水泄漏到廠房外的功能。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，水下燃料運(yùn)輸通道的可靠性，將直接影響燃料運(yùn)輸系統(tǒng)的安全。

水下運(yùn)輸通道主要由內(nèi)管、外管、法蘭、盲板、膨脹節(jié)和工藝管等部件組成，反應(yīng)堆廠房側(cè)采用法蘭盲板封閉，燃料廠房側(cè)與閘閥相連，閘閥坐于支撐座上，支撐座設(shè)有滑槽，如圖1所示。

2 抗震弱項(xiàng)評(píng)定

從圖1結(jié)構(gòu)可知，運(yùn)輸通道內(nèi)管相對(duì)外管無固定連接，連接閘閥與支座為滑塊滑槽結(jié)構(gòu)，在軸向上沒有固定約束或限制，抗震能力可能不足，在電廠PSR評(píng)定中，該問題被評(píng)定為PSR弱項(xiàng)，需經(jīng)設(shè)計(jì)院進(jìn)一步抗震專業(yè)評(píng)定后給出結(jié)論。通過載荷組合應(yīng)力分析，建立水下運(yùn)輸通道模型，利用ANSYS軟件分析計(jì)算，給出其自重、壓力載荷下靜態(tài)分析、模態(tài)分析和地震載荷下的分析結(jié)果，同時(shí)對(duì)水下運(yùn)輸通道管道在各使用限制條件下的應(yīng)力進(jìn)行組合與評(píng)定，具體見表1。

圖1 水下運(yùn)輸通道及連接閘閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of underwater transportation channel and connecting gate valve

表1 載荷組合和使用限制Table 1 Load combinations and usage restrictions

評(píng)定結(jié)論：1)水下運(yùn)輸通道管道安全殼壓力邊界部件滿足ASME BPVC Ⅱ規(guī)范的相關(guān)要求；2)水下運(yùn)輸通道內(nèi)管管 在軸向未設(shè)置固定約束(僅靠摩擦力輔助固定)，鞍座與內(nèi)管之間的摩擦力不足以克服地震工況下的軸向力(地震反力)，內(nèi)管會(huì)發(fā)生軸向竄動(dòng)，可能與盲板法蘭發(fā)生碰撞，造成安全殼壓力邊界破壞。

3 改進(jìn)分析與確定

3.1 結(jié)構(gòu)調(diào)研

調(diào)研其他壓水堆核電廠的水下燃料運(yùn)輸通道的抗震結(jié)構(gòu)形式，探討是否可借鑒改進(jìn)：

1)秦二廠：采用焊接形式，將通道環(huán)套(即通道內(nèi)管)與預(yù)埋管(外管)固定，與通道閘閥采用機(jī)械固定，軸向限制，從而限制整個(gè)通道竄動(dòng)，保證通道的抗震性能。

2)方家山：結(jié)構(gòu)形式與秦二廠基本一致，同樣采用通道內(nèi)管與外管(預(yù)埋)焊接固定，并且與通道內(nèi)管相連設(shè)備采用機(jī)械固定在水池地面上，防止其產(chǎn)生軸向和徑向竄動(dòng)。

3)三門：AP1000機(jī)組通道結(jié)構(gòu)與秦山電廠結(jié)構(gòu)較大不同，但同樣采用內(nèi)管與預(yù)埋管焊接固定，且與閘閥也采用機(jī)械固定方式連接在水池地上，具有可靠固定和限制移動(dòng)的作用。

調(diào)研了解，焊接固定是普遍連接形式，通道閘閥施加固定約束，抗震較為可靠，能有效限制通道內(nèi)外管的位移，對(duì)通道結(jié)構(gòu)固定約束可作為一種參考方案。

3.2 整體改進(jìn)分析

通過設(shè)計(jì)討論認(rèn)為，整體更換是一種比較徹底的解決辦法，通過預(yù)埋以及焊接等方法，使新通道具備足夠強(qiáng)度的抗震性能，但該方法涉及的范圍較廣，改動(dòng)量大，存在以下難點(diǎn)：

1)施工難度分析:如圖2所示，通道空間狹小且深，底部中間布置有燃料運(yùn)輸軌道和牽引鋼絲繩、定位檢測(cè)部件等，整體更換涉及廠房結(jié)構(gòu)變動(dòng)，增加預(yù)埋板，通道底部的軌道、閘閥、支座以及燃料運(yùn)輸相關(guān)設(shè)備也需拆除，工作量巨大。設(shè)備體積和質(zhì)量大，吊車無法直達(dá)，舊設(shè)備拆除和新設(shè)備安裝的吊運(yùn)困難，需通過其他方式倒運(yùn)，施工難度大，作業(yè)周期長(zhǎng)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境Fig.2 The on-site environment

2)輻照風(fēng)險(xiǎn)分析:通道長(zhǎng)年用于燃料組件運(yùn)輸，放射性顆粒沉降，環(huán)境劑量大，部分區(qū)域存在輻射熱點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)將接受極大輻射劑量，且人員在底部作業(yè)極易造成體表沾污。

3)核安全性分析：水下運(yùn)輸通道具有維持安全殼壓力邊界完整性的功能，改造工作破壞其原有結(jié)構(gòu)完整性，需要進(jìn)行復(fù)雜且周全的設(shè)計(jì)和計(jì)算。由于其核安全等級(jí)，需向國(guó)家核安全局提出詳細(xì)的核安全修改申請(qǐng)，獲得批準(zhǔn)后方可實(shí)施，不確定性和不可控因素多。

4)經(jīng)濟(jì)性分析:整體更換涉及廠房部分結(jié)構(gòu)的變動(dòng)、核級(jí)材質(zhì)的整體更換以及復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)施工，工作量大，施工周期長(zhǎng)，改造的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用高。

綜上，對(duì)通道內(nèi)外管進(jìn)行整體更換存在較大的施工難度、安全風(fēng)險(xiǎn)以及輻射風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)濟(jì)代價(jià)大。從施工可能性、人員安全、壓力邊界安全的角度出發(fā)，考慮通過局部進(jìn)行加強(qiáng)的方式，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化施工內(nèi)容，在實(shí)現(xiàn)抗震性能要求的前提下盡可能減少風(fēng)險(xiǎn)和難度。

3.3 局部加強(qiáng)方案分析

局部加強(qiáng)方案考慮直接對(duì)內(nèi)管增加固定或者對(duì)與通道內(nèi)管相連的閘閥進(jìn)行加固，采用焊接或機(jī)械加固，限制通道內(nèi)管軸向位移，避免與通道盲板碰撞。考慮以下幾個(gè)方案：

方案一 閘閥座板與閘閥支撐座焊接連接

閘閥座板與支撐座焊接固定(如圖3)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)管固定，不影響今后閘閥的維修工作。閘閥維修時(shí)，拆卸閘閥與座板的連接螺栓即可。該方法只需焊接，實(shí)施較簡(jiǎn)單，但焊接將使閘閥與支座完全固定，無緩沖空間，導(dǎo)致閘閥支座滑槽與滑塊結(jié)構(gòu)失效，無法吸收由于溫差變化導(dǎo)致的通道熱脹冷縮變形，可能導(dǎo)致通道及部件的整體微量變形和應(yīng)力附加，不建議采用。

圖3 閘閥底部與支撐座結(jié)構(gòu)Fig.3 The gate valve bottom and support seat structure

方案二 閘閥座板與閘閥支撐座螺栓連接

閘閥座板與支撐座側(cè)邊各有螺栓孔(如圖4)，設(shè)計(jì)連接件，通過螺栓連接實(shí)現(xiàn)固定，不影響將來閘閥的維修。但該方案的主要問題是現(xiàn)有螺栓孔(M16*38)較小，而運(yùn)輸通道整體質(zhì)量(含閘閥、支撐座以及其他相關(guān)部件)超8 t，螺栓連接件很難承受運(yùn)輸通道在地震工況下的沖擊，存在強(qiáng)度不足的問題，同時(shí)存在可能的安裝錯(cuò)位問題，不建議采用。

圖4 螺孔位置 Fig.4 The location of screw hole

方案三 固定閘閥滑塊在滑槽/支座

設(shè)計(jì)專用限位裝置，將閘閥滑塊固定在滑槽/支座上，進(jìn)而固定閘閥座板與閘閥支撐座。該方案需考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝空間狹小，人員作業(yè)不便，專用裝置安裝時(shí)可能的零部件干涉情況，需充分勘查現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，做好方案設(shè)計(jì)。可設(shè)計(jì)整體限位裝置，將閘閥座板與支撐座上板完全包裹，并于上下前后左右各留有一定間隙，以保證滑槽結(jié)構(gòu)的一定錯(cuò)位以及熱脹冷縮微量變形的影響，同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，能保證抗震強(qiáng)度，且安裝簡(jiǎn)單，便于實(shí)施，建議采用。

方案四 新增環(huán)板固定內(nèi)管法蘭

新增環(huán)板，采用焊接或機(jī)械螺栓連接形式將內(nèi)管法蘭固定在換料水池鋼敷面上。優(yōu)點(diǎn)是直接對(duì)運(yùn)輸通道內(nèi)管進(jìn)行固定，抗震效果優(yōu)良，缺點(diǎn)是該方案同樣涉及到設(shè)備吊裝以及通道下方空間狹小的限制，安裝難度大，工作時(shí)間長(zhǎng)，輻射劑量高，并且對(duì)水池鋼敷面產(chǎn)生了破壞，需要經(jīng)過詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，工作量大?，F(xiàn)場(chǎng)不可控因素較多，不建議采用。

3.4 方案設(shè)計(jì)

從現(xiàn)場(chǎng)施工、安裝便捷、抗震性能等綜合考

慮，采用專用限位裝置方案，考慮如下：

1)通道底部狹小，采用左右HALF結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)中固定，從通道軸向方向的兩側(cè)進(jìn)行安裝；

2)軸向方向采取專用限位裝置本體承受地震載荷作用力，而不通過連接螺栓來承受(只起連接作用)，可以有效避免長(zhǎng)時(shí)間作用引起螺栓失效或螺栓變形導(dǎo)致抗震性能降低；

3)限位裝置內(nèi)尺寸略大于閘閥座板尺寸，安裝后在前后左右四個(gè)方向有約2.5 mm的間隙，而通道內(nèi)管與通道盲板的距離約為30 mm，在地震時(shí)對(duì)閘閥以及于閘閥相連的水下運(yùn)輸通道內(nèi)管起到限位作用，避免內(nèi)管撞擊盲板；

4)限位裝置采用與閘閥等級(jí)一致的核級(jí)材料，并進(jìn)行沉淀硬化熱處理，確保能承受地震載荷和沖擊載荷的抗震性能，固定閘閥與支撐座，從而實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)管的軸向固定。

4 通道改造抗震性能評(píng)定

方案確定后，必須對(duì)安裝專用限位裝置后的通道抗震性能進(jìn)行評(píng)定，如不滿足則修改設(shè)計(jì)后重新計(jì)算。采用ANSYS 建模，進(jìn)行自重、壓力作用下靜力分析、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和地震載荷作用下反應(yīng)譜分析，如果計(jì)算應(yīng)力值與規(guī)定應(yīng)力限值之比≤1，則滿足規(guī)范要求。

4.1 通道應(yīng)力分析結(jié)果與評(píng)定

自重、壓力、OBE地震載荷、SSE 地震載荷下安全殼壓力邊界部件和內(nèi)管的應(yīng)力強(qiáng)度云圖(如圖5)，均滿足要求。

圖5 各載荷下應(yīng)力云圖Fig.5 Stress contours under various loads

4.2 專用限位裝置應(yīng)力評(píng)定

對(duì)專用限位裝置作地震載荷OBE和SSE下的應(yīng)力評(píng)定。閘閥和通道管均屬于剛性部件(自振頻率大于33 Hz)，因此可用等效靜力法作計(jì)算。管道軸向(水平)地震載荷下專用限位裝置將承受由閘閥和水下運(yùn)輸通道管道的慣性力；另一個(gè)水平方向的地震載荷由閘閥座板和支承座之間的滑槽承受；對(duì)于豎向地震載荷，豎直方向OBE和SSE的ZPA加速度均為0.4g，考慮1.5倍的系數(shù)后，為0.6g，小于重力加速度，因此專用限位裝置不會(huì)承受豎向的地震載荷。綜上，僅需對(duì)專用限位裝置作管道軸向(水平)地震載荷下的應(yīng)力評(píng)定即可。

一次薄膜應(yīng)力Pm計(jì)算值與許用值的比值=Pm/ Max(1.2Sy, 1.5Sm)=48/517 =0.10

通過評(píng)定，OBE和SSE地震載荷下，專用限位裝置的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

4.3 閘閥支撐座應(yīng)力評(píng)定

考慮閘閥支撐座與閘閥、地面通過螺栓連接固定，具有焊縫結(jié)構(gòu)，在地震工況下，存在受載荷作用而發(fā)生損壞的隱患，建立ANSYS計(jì)算模型，由支承座、閘閥底板和部分地面組成，閘閥底板和支承座上板簡(jiǎn)化成一體,驗(yàn)證其自身抗震性能經(jīng)計(jì)算，閘閥支承座、閘閥支承座底板螺栓、閘閥底板螺栓、支承座底板和地面之間的環(huán)角焊縫、支承座底板和筋板/支承筒的環(huán)角焊縫經(jīng)應(yīng)力分析結(jié)果表明，應(yīng)力計(jì)算值與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值之比均小于1，滿足ASME BPVC-Ⅲ-1-NF規(guī)范的相關(guān)要求。

圖6 應(yīng)力云圖Fig.6 The stress cloud

4.4 評(píng)定結(jié)論

水下運(yùn)輸通道管道(包括內(nèi)管、外管和盲板)和閘閥支承座滿足 ASME B&PVC-Ⅲ-1-NE規(guī)范的相關(guān)要求；對(duì)專用限位裝置作了OBE和SSE地震載荷下的應(yīng)力評(píng)定，結(jié)果表明：專用限位裝置的設(shè)計(jì)滿足ASME B&PVC-Ⅲ-1-NF規(guī)范的相關(guān)要求。

5 結(jié)束語

水下運(yùn)輸通道空間狹小、輻射劑量高、安全等級(jí)高，整體改造方案具有安全風(fēng)險(xiǎn)高、經(jīng)濟(jì)代價(jià)昂貴且實(shí)施困難的問題，在保證效果的前提下，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且安裝便捷的局部改造形式。通過方案分析，采取增加專用限位裝置方案，經(jīng)抗震性能評(píng)定，確保效果。充分考慮了設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)際安裝難度和可能的意外情況，現(xiàn)場(chǎng)安裝過程順利，符合預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了水下運(yùn)輸通道加固，為秦一廠運(yùn)行許可證延續(xù)(OLE)提供有力保障。