控制棒驅動機構抗震支承裝置材料國產化研究

王慶田，何培峰，慕殿鵬

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

目前，我國在建的核電廠除了二代改進型堆型外，還有從美國引進的AP1000核電技術和從法國引進的EPR核電技術。長期以來，由于堆型不同，采用的標準體系不同（主要有RCC-M和ASME兩種設計制造運行體系），導致我國的核電制造與運行體系沒能形成統一的標準。通過引進吸收，實現我國設計、制造、建設和運行與國際接軌，是國家核電發展的重要組成部分，而實現核島設備材料的國產化就是其中的一項。由于國外的材料技術體系、生產質保體系以及材料類別與國內材料體系有很大不同，給材料的國產化帶來一定的困難，所以必須結合我國核電發展的特點，對控制棒驅動機構抗震支承裝置材料的國產化問題加以解決。

1 設備結構與功能

控制棒驅動機構（CRDM）抗震支承裝置位于反應堆壓力容器頂部，其功能是在假設的地震工況下限制控制棒驅動機構的過度變形以維持其正常功能，保證控制棒驅動機構在事故工況下的功能完整性。CRDM抗震支承裝置主要包括：CRDM抗震支承組件、CRDM抗震板組件和CRDM抗震拉桿預埋件。CRDM抗震支承組件見圖1。CRDM抗震支承裝置屬于安全相關級設備（LS級），S1級支承件，抗震Ⅰ類、質保等級為Q2級。由于CRDM抗震支承裝置處于反應堆一回路的外圍，受到的輻射計量較小，加上其屬于非承壓設備，所以易于實現國產化。

圖1 CRDM抗震支承結構示意圖Fig.1 Schematic diagram for CRDM seismic support

2 設計要求

控制棒驅動機構安裝在反應堆壓力容器頂蓋上，能根據反應堆控制和保護系統的指令，驅動控制棒組件在堆芯內上、下運動，保持控制棒組件在指令高度或斷電落棒，完成反應堆啟動、調節功率、安全停堆和事故停堆的功能。尤其是在事故工況下，控制棒驅動機構對實現反應堆安全可靠的停堆至關重要。而CRDM的抗震支承裝置提供的地震情況下的抗震支承功能，對于核電站的安全運行同樣不可缺少。CRDM抗震支承裝置的設計壽命為40年，其工作環境見表1。考慮到可能遇到的地震載荷，抗震拉桿起到固定、支承、扶持抗震支承環的作用，設計要求的抗震拉桿的載荷為：OBE（操作基準地震工況）：40×104N，SSE（沖擊停堆地震工況）：50×104N。

表1 CRDM抗震支承裝置的工作環境Table 1 Work environment of CRDM seismic support

3 材料國產化

在核電廠建設中，核電裝備造價占總投資的50%左右，因此，實現核電裝備自主化具有重要意義。核電發達國家利用技術領先優勢，形成了對世界核電主要設備市場的壟斷。核電裝備制造難度大，又涉及多種學科、多項技術的集成，代表著行業的較高水平。目前，我國的核電國產化率已經得到提高，秦山一期的國產化為55%，嶺澳一期的國產化為30%，嶺澳二期1號機組的國產化為50%、2號機組為70%，而秦山二期擴建工程3號機組的國產化率為77%。

目前，核島設備用材料基本實現了國產化，比如壓力容器用的大鍛件、蒸汽發生器用的大鍛件、堆內構件用的大鍛件。此外，堆內構件用奧氏體不銹鋼板材也實現了國產化，并開始用于遼寧紅沿河核電站4號機組堆內構件吊籃筒體的制造。與核島一回路的核心設備相比，CRDM抗震支承裝置材料的國產化更易于實現。從秦山二期擴建工程和嶺澳二期工程開始，國內開始了CRDM抗震支承裝置用材料的國產化實踐，見表2。根據母材的牌號，按照焊材的選取原則，結合國內工程實踐經驗，在不低于設計要求的前提下，CRDM抗震支撐裝置用焊接材料也相應的實現了國產化，見表3。國產牌號母材和焊接材料與國外牌號的化學成分對比分別見表4和表5。國產牌號母材和焊接材料與國外牌號的力學性能對比表分別見表6和表7。

材料國產化的原則是盡可能采用與國外牌號相對應的國產材料，比如，國外的碳鋼材料相應的替換為國產的碳鋼或低合金鋼材料，國外的不銹鋼材料替換為相應的國產不銹鋼材料。對于沒有相應牌號的材料，在綜合考慮結構受力等因素的前提下，采取強度匹配原則，并盡可能的減少材料的種類，同時還要考慮到經濟性。對比國產和國外牌號母材和焊材的化學成分，主要差異為國外牌號的材料對于雜質元素S、P、Cu、Ni、Cr等含量的控制更為嚴格。

表2 主要材料牌號對比表Table 2 Contrast of main material

表3 主要焊接材料牌號國產化Table 3 Localization of the main welding materials

表4 主要母材化學成分對比表Table 4 Contrast of the chemical requirement for metal material

表5 主要焊接材料化學成分對比表Table 5 Contrast of the chemical requirements for welding material

表6 主要母材力學性能對比表Table 6 Contrast of the mechanical properties for metal material

表7 主要焊接材料力學性能對比表Table 7 Contrast of the mechanical properties for welding material

4 力學分析

抗震支承環的功能的主要通過抗震支承裝置上的拉桿、抗震環、立柱和CRDM上的抗震板來實現，

5根拉桿把抗震支承環和堆坑壁上的錨固掛鉤連接，3根立柱把抗震支承環和頂蓋吊耳連接。抗震支承環的載荷及許用應力分別見表8和表9所示。

根據國產化的材料牌號，分別查得相應得Sy（材料的屈服強度）和Su（材料的抗拉強度），進行應力分析，計算結果顯示，錨固掛鉤、拉桿組件、鉸支座、立柱以及抗震支承環在OBE及SSE工況下的應力均滿足設計要求。

表8 CRDM抗震支承環的最大載荷Table 8 Maximal load of CRDM seismic support

表9 CRDM抗震支承環的許用應力Table 9 Allowable stress of CRDM seismic support

5 結論

通過對比分析國外牌號母材和焊材的化學成分和力學性能，在滿足結構性能的基礎上，核島設備CRDM抗震支承裝置實現了全部結構材料的國產化。對結構材料國產化的結構進行了力學分析，分析結果顯示，采用的國產化母材和焊材的抗震支承裝置的結構性能，滿足設計要求，并應用到秦山二期擴建工程、遼寧紅沿河核電站、福建福清核電站和方家山核電工程。