堆芯過濾裝置的設計改進

姜建軍，陳振偉，冉小兵，任紅兵

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124）

CPR1000堆型的反應堆在主回路冷態功能試驗和熱態功能試驗期間，有157組堆芯過濾裝置安裝在堆內構件堆芯下板上，用于過濾平均直徑大于1.5mm的異物顆粒，以防止它們進入反應堆冷卻劑系統其他部件，造成設備損壞［1］。

嶺澳核電站3號機組在熱態功能試驗后，發現有多組堆芯過濾裝置出現不同程度的損壞，如圖1所示。堆芯過濾器不但沒有充分發揮其原有功能，損壞掉落的濾網反而成了主回路新的異物，后期還需對其進行搜集清理。為確保堆芯過濾裝置在核電站調試過程中的使用更加穩定可靠，本文擬對堆芯過濾裝置的失效原因進行分析，并提出合理的改進方案。

圖1 嶺澳核電站3號機組堆芯過濾裝置損壞情況Fig.1 The damaged filter blocks of Unit 3of Ling Ao Nuclear Power Plant

1 堆芯過濾裝置的結構及失效原因分析

1.1 堆芯過濾裝置的結構

堆芯過濾裝置由基座、濾網（無翻邊）、壓條、把手及固定裝置組成，如圖2所示。基座用來安裝固定濾網及其他零件，并為整個堆芯過濾裝置的安裝提供定位。濾網由奧氏體不銹鋼鋼絲經緯編織而成，每個節點處經釬焊固定，并沖壓成球冠形。濾網放置在基座上表面凹臺上，再由上方的壓條壓緊，壓條與基座間通過間斷焊接固定。把手焊接在基座上表面上，方便堆芯過濾裝置的搬運，并通過螺釘、墊塊等零件與濾網頂端連接，為濾網提供支撐，提高濾網的整體強度。固定裝置用來將堆芯過濾裝置固定在堆內構件堆芯下板上。

1.2 堆芯過濾裝置失效原因分析

嶺澳核電站3號機組熱態功能試驗階段堆芯過濾裝置的失效形式主要有2種：一種是濾網被水流中的硬物擊破，另一種是濾網受水力沖擊從基座上脫落。第一種失效形式，主要是因為主回路中未被清理干凈的硬物，在高速水流的帶動下沖擊濾網所致。在回路清潔和沖洗階段仔細清理回路中的異物便可避免這類失效的發生，因此本文不對這種失效形式作重點的分析。第二種失效形式，其直接原因是主回路中的異物被濾網截留，堵塞了流道，從而增加了濾網的局部阻力，導致濾網上下兩面的壓差增大，流體作用在濾網上的壓力也隨之增大［2］，當該壓力增大到一定程度時，就導致了濾網從基座上脫落。

圖2 堆芯過濾裝置結構圖Fig.2 The structure of filter block

究其根本原因，還在于堆芯過濾裝置濾網與基座間的連接方式不夠可靠。濾網通過壓條壓緊其邊緣而固定在基座上，這種結構形式使得濾網與基座僅僅通過兩者間的摩擦力進行連接。由于摩擦力f＝μ×N，壓條作用在濾網邊緣的壓力就成了影響濾網連接可靠性的關鍵因素。雖然在將壓條焊接到基座上時，已經通過工裝對壓條施加了一定的預壓力。但是由于壓條和基座之間通過端面焊接方式連接，壓條上施加壓力的施力點與壓條的固定支點重合，這使得壓條保持預壓力的效率極大地降低，濾網連接的可靠性也隨之降低。堆芯過濾裝置這種關鍵結構的設計不合理，是濾網從基座上脫落的主要原因。

此外，嶺澳核電站3號機組熱態試驗階段使用的是曾經在嶺澳一期核電站使用過的同一批堆芯過濾裝置，且這批堆芯過濾裝置距上一次使用已有五六年之久。長期存放過程中濾網的輕微銹蝕及壓條上預壓力的緩慢釋放，都可能使濾網連接的可靠性降低。這應該是濾網從基座上脫落的次要原因。

2 堆芯過濾裝置的結構改進

堆芯過濾裝置的另一個功能是在冷態功能試驗和熱態功能試驗階段模擬燃料組件的水力特性。因此，在對其結構進行改進時，須遵循一個原則：不能改變原裝置的水力特性。

如前文所述，濾網與基座間的連接方式設計不合理是堆芯過濾裝置失效的主要原因。因此，最簡單和直接的方法便是通過改進濾網的結構來改變濾網與基座的連接方式。如圖3所示，濾網沖壓成形時，在濾網邊緣進行向上翻邊處理，將壓條外徑尺寸作相應的修改，其他零件的結構和尺寸完全不變。在將壓條焊接到基座上時，通過工裝在軸向和徑向兩個方向上對壓條施加一定的預壓力。如此改進之后，濾網與基座的連接便由原來的單一軸向壓緊（夾緊）連接改變為軸向和徑向兩個方向壓緊（夾緊）的連接，連接的可靠性得到極大提高，堆芯過濾裝置的長期存放對其性能可靠性的影響也會降低。

圖3 翻邊結構濾網示意圖Fig.3 The structure of filter block with flanging

3 堆芯過濾裝置的試驗驗證

為了驗證改進后堆芯過濾裝置性能的可靠性，特別設計了如下試驗：取嶺澳核電站3號機組用過的堆芯過濾裝置、按原有技術方案新制的堆芯過濾裝置和按改進后技術方案制作的堆芯過濾裝置各5件，分別編號為A1～A5、B1～B5、C1～C5。去除堆芯過濾裝置上的把手、固定裝置等附件，僅留下基座、濾網和壓條，將其倒置在WDW－100C微機控制電子萬能試驗機的試驗臺上。通過球缺形壓頭對倒置的過濾裝置濾網施加壓力，直至濾網從基座中脫落或濾網斷裂失效，記錄每次試驗過程中的最大壓力。試驗設備照片如圖4所示，結果數據見表1和圖5。

圖4 試驗設備Fig.4 The picture of testing machine

表1 試驗結果數據Table 1 The test result data

圖5 三組堆芯過濾裝置試驗結果Fig.5 The chart of test results

從試驗結果看來，B組試件的最大壓力值平均值比A組試件大了220%，說明重復使用與長期存放對原有技術方案堆芯過濾裝置的性能可靠性有很大的影響；A組試件和B組試件的失效形式均為濾網脫落，說明原有技術方案堆芯過濾裝置的結構設計確實不合理；C組試件的最大壓力值平均值比B組試件大了130%，且其失效形式為濾網斷裂，說明改進后技術方案堆芯過濾裝置的結構設計合理，性能也最為可靠。改進后堆芯過濾裝置照片見圖6。

圖6 改進后堆芯過濾裝置Fig.6 The improved filter blocks

4 其他改進方案

為徹底消除堆芯過濾裝置重復使用與長期存放對其性能可靠性的不利影響，同時盡量降低使用成本，可以將濾網設計成可拆卸的濾網組件，在重復使用時更換新制的濾網即可。這種新型的堆芯過濾裝置結構如圖7所示，濾網組件從基座下方安裝，通過壓條壓緊后將壓條與基座點焊固定，基座的結構作相應的修改，其他結構及連接方式保持不變。濾網組件由濾網和上下兩塊夾板組成，濾網放置在上下兩塊夾板之間，上下夾板通過6顆沉頭螺釘連接，如圖8所示。

圖7 可更換濾網組件的堆芯過濾裝置Fig.7 The filter block with replaceable filter element

圖8 濾網組件的幾種結構形式Fig.8 Several structure of replaceable filter element

5 結論

嶺澳核電站3號機組堆芯過濾裝置在使用過程中損壞的主要原因是其結構設計不合理、重復使用以及使用前的長期存放。通過對濾網結構的改進，改變了濾網與基座間的連接方式，使改進后的堆芯過濾裝置性能更好，質量更可靠，并通過機械試驗的方式得到了驗證。改進后新型堆芯過濾裝置屬于國內首創，已向國家知識產權局申請專利并獲授權（專利號：ZL 2011 2 0009569.6）。

改進后新型堆芯過濾裝置可直接用于CPR1000堆型的核電廠，通過接口及相關尺寸的調整還可應用到其他60萬千瓦級壓水堆和EPR及AP1000堆型的核電廠。

［1］ 廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備［M］.北京：原子能出版社，2004.

［2］ 劉鶴年 .工程流體力學［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.