CAP1400堆內構件流致振動試驗件設計和測點布置研究*

黃 磊，丁宗華，薛國宏

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

0 引言

反應堆堆內構件是反應堆主冷卻劑系統中的重要設備。其主要功能是支承堆芯，為堆芯和控制棒提供定位、支承、導向和保護。堆內構件的結構比較復雜，各關鍵零、部件的可靠設計是反應堆安全運行的重要前提。

CAP1400堆內構件設計應遵照RG 1．20《預運行和初始啟動試驗期間堆內構件振動綜合評價大綱》的要求，對原型堆內構件“采用計算流體動力學(CFD)分析加上補充分析來確定其流體激勵力函數和反應(位移、加速度和應力等)，并加以驗證，驗證方法如以往的試驗、經驗或比例模型試驗，同時包括有關數據的不確定性。”因此CAP1400堆內構件進行流致振動模擬試驗是非常必要的，該試驗研究項目作為CAP1400六大試驗課題之一，其對堆內構件流致振動情況的分析、研究與驗證對于CAP1400的合理設計與安全運行有重要的意義。

堆內構件流致振動模擬試驗試驗件(以下簡稱:試驗件)的設計內容包括堆內構件、壓力容器、燃料組件模擬體及相關支承結構，與實堆相比采用1/6的縮比模型進行設計制造。

綜合考慮試驗件制造工藝、傳感器安裝以及試驗成本等影響因素，需對試驗件結構進行必要且合理的簡化與優化，這些簡化與優化都是基于充分的理論論證與分析計算基礎上的，以準確模擬實堆，不影響所測數據為目標，確保試驗件造得出，試驗做得到，數據測得準。

1 相似性準則

堆內構件流致振動模擬試驗在核動力院進行，試驗件由上海第一機床廠負責制造。綜合分析與考量試驗需求、試驗回路容積及試驗件制造工藝性，確定采用1∶6的縮比模型。

比例模型測得的試驗數據應可基于相似關系換算到實堆。一般要求試驗件與實堆滿足幾何相似、運動相似和動力相似。

由于實堆內冷卻劑進出口溫差小，壓力高，密度變化小，可當作穩定不可壓縮流動。在試驗條件與實堆的流體密度、流體流速相同的條件下，相似準則要求試驗和實堆流動的雷諾數(R e)相等，但模型試驗要做到雷諾數相等是比較困難的。研究發現存在“自模區”，即當流體雷諾數R e數進入105～107自模區時，雷諾數R e的變化對流動阻力系數Eu沒有明顯的影響，因此應保證堆內構件流致振動模擬試驗在“自模區”條件下進行。

堆內構件結構的固體質點振動位移很小，根據固體動力學方程可以得到以下相似關系:

(1)表征固體的彈性力和非定常運動慣性力比值:

(2)表征固體非定常運動慣性力和質量力比值:

(3)表征固體彈性應力和應變比值:

(4)表征固體應變與振幅比值:

固體和流體之間的邊界法向速度和法向應力的連續條件，可得以下相似關系:

式中:f為頻率;l為幾何尺寸;V為流體速度;ρ為金屬密度;p為流體脈動壓力;E為金屬彈性模量;u為振幅;ε為應變;σ為應力。

因此，當試驗件與實堆材料相近(即材料的E、ρ相同)。可得以下關系:

式中:m表示試驗件，p表示實堆。

當試驗件與實堆尺寸比例為lm/lp=1/6時，實堆振動頻率為試驗件頻率的1/6，實堆振幅為試驗件振幅的6倍，實堆應力與試驗件一致。因此，可通過試驗數據根據相似準則，換算獲得實堆的流致振動情況。

2 試驗件設計

試驗件主要由上部堆內構件、下部堆內構件、燃料組件模擬體以及壓力容器等結構組成，如圖1。

圖1 試驗件模型

2．1 上部堆內構件

上部堆內構件主要包括導向筒組件、支承柱組件、上部支承板組件和堆芯上板，如圖2所示。

圖2 上部堆內構件模型

由于導向筒組件結構復雜、數量眾多，因此對試驗件進行了必要的簡化設計。僅對布置了測點的壓力容器出口接管處的兩根導向筒進行了較為嚴格的尺寸縮比設計，而其他的導向筒則在結構上做了簡化，簡化后的導向筒仍要保證滿足剛度、質量的相似關系。上部支承板與堆芯上板主要的結構尺寸嚴格按縮比設計，并保證開孔的流通面積滿足相似關系。

2．2 下部堆內構件

下部堆內構件主要包括吊籃筒體組件、堆芯圍筒組件、防斷組件、均流板與輻照監督管支架，如圖3。

圖3 下部堆內構件模型

吊籃筒體是研究的重點，嚴格按縮比設計，其中堆芯支承下板因需配合燃料組件模擬體的安裝，在保證總的流通面積滿足相似要求的基礎上，對流水孔的布置進行了調整。

堆芯圍筒組件為整體焊接件，嚴格按縮比后的制造難度很大，焊接變形很難控制，因此在主要外形尺寸滿足縮比的條件下，對堆芯圍筒組件的結構進行簡化設計，在滿足制造工藝性的同時，保證試驗件的質量與剛度滿足相似關系。

試驗件的防斷組件與輻照監督管支架對內部結構進行了簡化，滿足質量與剛度的相似關系。

均流板為CAP1400的全新設計，是試驗研究重點。其結構尺寸嚴格按縮比設計。由于試驗中將對均流板與導流圍板等導流結構進行替換，因此，對均流板的連接方式做了優化設計，便于試驗中的拆裝。

2．3 燃料組件模擬體

燃料組件不是堆內構件流致振動的研究重點，且根據以往經驗，不會對堆內構件的流致振動帶來較大影響，因此簡化設計為模擬體。模擬體由鋼與鉛兩種材料構成，以保證總體質量與流通面積滿足相似關系。為便于安裝，設置燃料組件輔助定位板。如圖4。

圖4 燃料組件模擬體模型

2．4 壓力容器

壓力容器由頂蓋組件、進口管、出口管、筒身段、底封頭等結構組成，如圖5所示。

圖5 壓力容器模型

壓力容器的主要內部結構尺寸與壁厚嚴格按縮比進行設計。考慮到試驗件的安裝以及試驗中均流板等結構的替換，底封頭與筒身段采用螺栓連接。底封頭與導流圍板的連接也采用了螺栓連接，以便于試驗中的拆裝。此外，在壓力容器多處開設觀察窗，以實現試驗中的觀測及激光測量。

3 試驗件測點布置

試驗研究主要包含兩部分，一是測量試驗件主要部件在空氣中和靜水中的固有頻率和振型，二是測量不同運行工況下試驗件主要部件的流致振動響應，包括加速度、位移、應變及脈動壓力。

為保證試驗數據的完整性和可靠性，試驗件主要部件上的測點布置需要進行合理地布置。以下對流致振動試驗介紹測點的布置及相關論證。

3．1 上部堆內構件

對于上部堆內構件，流致振動模擬試驗主要關注導向筒、支承柱和上部支承板組件的振動響應及脈動壓力值，尤其是下部導向筒的流致振動響應。需在出口接管中心位置測量導向筒上的脈動壓力，獲得下部導向筒結構的流致振動載荷，同時通過位移及應變測量導向筒的流致振動響應。由于流致振動下結構應變或位移響應較小，因此應變片需要安置在響應值較大的位置。支承柱及下部導向筒流致振動下的響應主要是1階梁型振動，最大應變在兩端根部位置，最大位移及脈動壓力在中間位置。上部支承板的流致振動響應根據經驗相對較小，因此僅需在法蘭根部位置布置傳感器。

3．2 吊籃筒體及堆芯圍筒組件

吊籃筒體與堆芯圍筒均有梁型和殼型模態，流致振動載荷下需要測量兩者間的水平相對位移以及吊籃組件整體擺動的位移，吊籃最大應力值位于吊籃法蘭根部位置，需布置相應數量的應變片。另外，吊籃外壁面上的脈動壓力分布是研究吊籃流致振動載荷的關鍵數據，需要充分布置脈動壓力測點，以用于載荷分析研究。

3．3 防斷組件

防斷組件位于流場復雜的下腔室，水流流速也較大，因此在關鍵測量位置需布置足夠的傳感器，保證數據的完整性。防斷組件及其支承柱流致振動下的響應主要以整體擺動為主，與堆芯支承下板連接的支承柱法蘭下方的應變值最大，而渦流抑制板和防斷底板則是響應位移量最大，需布置相應數量的應變片及加速度傳感器。

3．4 導流結構

試驗采用了兩種導流結構，分別是均流板和導流圍板。均流板的結構剛度較大，流致振動下產生的應變較小而脈動壓力較大。導流圍板位于下封頭凸緣上，處于下降環腔和下封頭的交界處，該處流場復雜且流速快，導流圍板與壓力容器連接處的根部位置上會有較大的流致振動，且結構上會有較大的壓力脈動載荷。因此，在導流圍板結構與壓力容器連接位置的根部布置相應數量的應變片，同時在迎流方向布置壓力傳感器。

3．5 壓力容器

壓力容器與試驗回路相連，堆內構件流致振動一部分是由于壓力容器的振動而產生，因此需要了解壓力容器結構的自身振動情況。試驗時在壓力容器的關鍵位置上布置相應數量的加速度傳感器。壓力容器上的力傳感器是為測量與徑向支承鍵的碰撞力。

4 結語

試驗件設計與測點布置的原則是不影響所測重要數據的準確性。必要的簡化設計都是在保證制造與安裝的基礎上，進行了充分的理論分析與計算論證。另外，試驗件的設計還設置了一些調整環節，如壓緊彈性環的變形量調節，徑向支承鍵的接觸情況調節，旁流流量的調節等，以通過一次試驗，獲取更多珍貴的試驗數據。

根據已經開展的試驗情況及所獲得的數據分析，證明了試驗件設計及測點布置的合理性，可用于反映和評估CAP1400堆內構件流致振動情況。作為六大試驗課題之一，試驗項目的成功進行也為CAP1400的最終設計完成提供了有力的支撐。

該試驗件也可為其他堆內構件流致振動模擬試驗件的設計提供參考。

［1］ U．S．Nuclear Regulatory Commission(NRC)Regulatory Guide 1．20，Rev．2［C］．Comprehensive Vibration Assessment Program for Reactor Internals during the Preoperational and Initial Startup Testing，1976．