CAP1400蒸汽發(fā)生器管束研發(fā)

應(yīng)秉斌

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233)

蒸汽發(fā)生器是連接壓水堆核電廠一回路和二回路的關(guān)鍵設(shè)備，它將核電廠核裂變產(chǎn)生的能量傳遞給二回路，并產(chǎn)生飽和蒸汽和飽和水混合物，汽水混合物經(jīng)過汽水分離裝置的分離變成干蒸汽，推動汽輪機做功[1]。

蒸汽發(fā)生器U形傳熱管束是一回路承壓邊界的一部分，用于防止一回路冷卻劑放射性物質(zhì)泄漏到二回路。根據(jù)核電廠的多年運行經(jīng)驗反饋，壓水堆核電廠的非計劃停堆約四分之一是因為蒸汽發(fā)生器設(shè)計、制造和運行不當(dāng)引起。其中蒸汽發(fā)生器U形傳熱管損壞是核電廠停堆事故中最主要原因[2]。

本論文介紹了CAP1400蒸汽發(fā)生器的設(shè)計特點、功能、參數(shù)，并詳細介紹水室封頭、管板、傳熱管、上封頭、管束、汽水分離裝置等主要部件。詳細介紹了管束研發(fā)過程中開展的科研工作。

1 設(shè)計特點

CAP1400蒸汽發(fā)生器為立式、倒U形傳熱管和汽水分離裝置于一體的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器。CAP1400蒸汽發(fā)生器在正常運行時，給水通過蒸汽發(fā)生器上筒體中帶噴嘴的給水環(huán)進入蒸汽發(fā)生器。給水環(huán)的標(biāo)高比給水管嘴高以消除給水管嘴部位的熱分層。進入蒸汽發(fā)生器的給水與從蒸汽分離出來的飽和水混合形成蒸汽發(fā)生器下降段的過冷水。過冷水在殼體和管束套筒間的環(huán)狀區(qū)域向下流，并通過套筒底部與管板之間大約340mm高的窗口進入傳熱管區(qū)域。然后改變流向，向上流經(jīng)U形管束。當(dāng)二次側(cè)的流體往上流動時，它被一次側(cè)流體通過U形管壁傳出的熱量加熱，變成飽和的汽水混合物。該汽水混合物繼續(xù)向上流動，進入初級汽水分離器。

兩相流離開管束進入帶旋流葉片的初級汽水分離器，它們由帶旋流葉片的一級分離器和帶鉤波形板的二級分離器組成。旋流葉片對汽水混合物施加離心力，導(dǎo)致較重的水沿內(nèi)筒內(nèi)壁聚集流出分離器，分離后的蒸汽帶著少量的水分進入二級分離器，最終分離后的蒸汽離開初級分離器進入汽空間，分離后的水流回到水空間，與給水匯合進入下筒體與管束套筒間形成的環(huán)形下降通道。

進入汽空間的蒸汽經(jīng)重力分離，然后進入單層的次級汽水分離器。次級汽水分離器由8組帶鉤波形板片組構(gòu)成，能分離汽水混合物中剩余的水分。然后分離后的水分沿波形板片向下流到疏水槽中，再通過疏水管流到水空間。蒸汽流出次級分離器，然后通過蒸汽出口管嘴離開蒸汽發(fā)生器。

CAP1400蒸汽發(fā)生器主要特點如下：

蒸汽發(fā)生器與主泵直接連接。

水室封頭內(nèi)部形狀和內(nèi)疏水結(jié)構(gòu)的設(shè)計可將一次側(cè)水疏干。

傳熱管內(nèi)表面粗糙度要求提高，以及水室封頭內(nèi)表面電拋光提高表面光潔度，從而可減少蒸汽發(fā)生器一次側(cè)帶放射性的腐蝕產(chǎn)物的沉積，以及減小一次側(cè)壓降。

傳熱管為經(jīng)過特殊熱處理的690合金。

蒸汽發(fā)生器人孔螺栓可采用螺栓拉伸機進行預(yù)緊。

給水環(huán)連接管采用向上的彎管，給水噴管在給水環(huán)的頂部以消除熱分層和水錘的發(fā)生，以及使用獨立的啟動給水管。

一次側(cè)人孔密封裝置同時具有兩種不同的密封方式，在正常情況下，采用密封墊片密封，當(dāng)密封面有缺陷不能及時修復(fù)時，可采用密封蓋板與人孔座間的密封焊密封。

蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板采用全深度液壓脹管和密封焊連接。

傳熱管與管束彎頭抗振條的間隙，以及與管子支承板孔間隙更緊，以提高傳熱管抗流致振動和地震的能力。

采用高效率的汽水分離裝置，以降低出口蒸汽濕度。

CAP1400蒸汽發(fā)生器通過結(jié)構(gòu)選型、材料設(shè)計、焊接設(shè)計、熱工水力分析、應(yīng)力分析、科研試驗等工作，完成了設(shè)計研發(fā)工作。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)

表1(續(xù))

2 設(shè)備分級

CAP1400蒸汽發(fā)生器設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要包括國內(nèi)核安全法規(guī)、ASME規(guī)范、RG導(dǎo)則及國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)等。其主要零部件的安全分級、質(zhì)量分級和抗震要求見表2。

表2 蒸汽發(fā)生器主要零部件的安全分級、質(zhì)量分級和抗震要求

3 結(jié)構(gòu)特點

CAP1400蒸汽發(fā)生器主要零部件由水室封頭、管板、筒體、管束和汽水分離裝置組成。

結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 CAP1400蒸汽發(fā)生器簡圖

3.1 傳熱管

蒸汽發(fā)生器U形傳熱管的面積是一回路壓力邊界總面積的80%左右，U形傳熱管是整個一回路壓力邊界中最薄弱的部分，對保障核電廠安全運行極為重要[3]。為提供傳熱管的可靠性，對抗腐蝕性能提出了很高的要求。CAP1400蒸汽發(fā)生器 U形傳熱管選用Inconel 690合金，傳熱管壁厚是1.01mm，外徑是17.48mm。U形傳熱管如圖2所示。

圖2 U形傳熱管

3.2 管板

管板是一二回路的分界面，支撐著傳熱管，是一回路設(shè)備中最厚的大型實心鍛件。CAP1400蒸汽發(fā)生器管板的芯部厚度為860mm，SA-508 GR.3 CL.2鋼鍛造而成，管板一次側(cè)表面堆焊6.6mm厚的鎳基合金，以保證管子-管板的焊接性能。管板如圖3所示。

圖3 管板

3.3 水室封頭

水室封頭承受一回路的17.48MPa的設(shè)計壓力，并在水室封頭上開設(shè)了冷卻劑進出口管嘴，是蒸汽發(fā)生器中受力最復(fù)雜的部件，通常選用半球形結(jié)構(gòu)[4]。CAP1400蒸汽發(fā)生器水室封頭采用SA-508 GR.3 CL.2鋼鍛件，內(nèi)表面堆焊6mm厚度的不銹鋼。水室封頭設(shè)置兩個出口與主泵直接連接，設(shè)置一個進口連接熱段主管道。水室封頭被水室隔板分割成兩個腔室，每個腔室設(shè)置一個直徑450mm的人孔。水室封頭如圖4所示。

圖4 水室封頭

3.4 上封頭

蒸汽發(fā)生器上封頭選用碟形封頭，內(nèi)徑為6120mm，主蒸汽出口接管位于封頭上部，是一體化鍛造而成。蒸汽出口接管開有19個文丘里孔，用以現(xiàn)在主蒸汽管道破裂事故工況下蒸汽突然大量外流。

上封頭采用SA-508 GR.3 CL.2鍛件，文丘里管采用Inconel 690合金鍛件。

3.5 汽水分離裝置

CAP1400蒸汽發(fā)生器的上部設(shè)有汽水分離裝置。汽水分離裝置包括初級分離器和干燥器組成。CAP1400蒸汽發(fā)生器的初級分期為旋葉式分離器(其型號為SP3型初級分離器)和單層八組干燥器組成(其型號為P3X型干燥器)。SP3型初級分離器如圖5所示，P3X型干燥器如圖6所示。

圖5 SP3初級分離器圖

圖6 P3X1400型干燥器圖

3.6 管子支承板和抗振條

為保持傳熱管的間隙，防止傳熱管的過度機械振動和水力振動，在傳熱管直管段設(shè)置了支撐板。CAP1400蒸汽發(fā)生器設(shè)置10塊支承板，在每塊支承板上開三葉孔，三葉孔如圖7所示，其采用405不銹鋼。

抗振條有7組，裝在U形傳熱管彎頭區(qū)，限制U形傳熱管在平面內(nèi)和平面外的位移，抵抗U形傳熱管的流致振動，抗振條材料為405不銹鋼。

圖7 支承板三葉孔圖

4 管束研發(fā)工作

4.1 CAP1400傳熱管動態(tài)特性試驗及裝置

開展了蒸汽發(fā)生器傳熱管動態(tài)特性試驗，測定管束中不同彎曲半徑傳熱管的固有頻率和振型，研究多種因素對頻率和振型的影響，并與計算結(jié)果相互校核。考慮的影響因素包括水對傳熱管動態(tài)特性的影響，管板、支承板和抗振條等約束條件對蒸汽發(fā)生器傳熱管的動態(tài)特性影響，以及管束中各傳熱管之間的相互影響。為此設(shè)置三項試驗內(nèi)容：單根傳熱管的動態(tài)特性試驗研究、管束動態(tài)特性影響的試驗研究(水中)和傳熱管束的動態(tài)特性試驗研究(空氣中)。傳熱管單管動態(tài)特性試驗試驗如圖8所示。

圖8 傳熱管單管動態(tài)特性試驗圖

4.2 CAP1400蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部流場和排污試驗

CAP1400蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部流場及排污試驗分為流場試驗、排污裝置阻力試驗和排污試驗三種類型。

流場試驗，在不同循環(huán)流量下測量了試驗件各部位的壓降和管廊區(qū)的橫向流速，將試驗結(jié)果和CFD計算結(jié)果對比表明，計算結(jié)果和試驗結(jié)果符合良好，試驗驗證了CFD計算模型(方法)的合理性，通過該模型，掌握了蒸汽發(fā)生器近管板表面流動特性。排污裝置阻力試驗，試驗了不同排污裝置排污管阻力特性，掌握了排污孔數(shù)量對排污壓降的影響；并試驗對比了有無喇叭口對排污壓降的影響，掌握了喇叭口對排污裝置壓降的影響。

排污試驗如圖9所示，在不同循環(huán)流量和不同泥渣粒徑的條件下，進行了單邊排污和雙邊排污試驗。試驗驗證了單邊排污的合理性，并對比了單邊排污結(jié)構(gòu)和雙邊排污結(jié)構(gòu)泥渣沉積區(qū)域，掌握了單邊和雙邊排污結(jié)構(gòu)設(shè)計對排污性能的影響。

圖9 排污試驗圖

4.3 CAP1400蒸汽發(fā)生器液壓脹管性能試驗

開展了CAP1400蒸汽發(fā)生器液壓脹管性能分析，獲得管子-管板孔間隙、脹接長度、脹接壓力、保壓時間、管孔缺陷及熱處理溫度等對脹管性能的影響，得到的初步分析結(jié)果為CAP1400蒸汽發(fā)生器液壓脹管試驗提供指導(dǎo)性意見。

開展了CAP1400蒸汽發(fā)生器液壓脹管性能試驗，獲得了脹接壓力、保壓時間對脹管性能的影響；脹接長度對脹管性能的影響；管孔缺陷對脹管性能的影響；熱處理溫度對脹管性能的影響。液壓脹管試驗如圖10所示。

圖10 CAP1400蒸汽發(fā)生器液壓脹管試驗圖

4.4 CAP1400蒸汽發(fā)生器管束流致振動分析

采用蒸汽發(fā)生器二次側(cè)三維兩相專用分析軟件進行分析計算，獲得CAP1400蒸汽發(fā)生器管束區(qū)的流速。以此為輸入進行流致振動分析計算，獲得流體彈性激勵、湍流激勵、漩渦脫落激勵下的應(yīng)力值。分析結(jié)果表明CAP1400蒸汽發(fā)生器管束流致振動是可以接受的。

5 結(jié)語

CAP1400蒸汽發(fā)生器的管束設(shè)計開發(fā)過程中，課題組完成了蒸汽發(fā)生器傳熱管動態(tài)特性試驗、二次側(cè)下部流場及排污試驗和液壓脹管分析及試驗，完成了CAP1400蒸汽發(fā)生器管束設(shè)計。

[1] 臧希年，申世飛.核電廠系統(tǒng)及設(shè)備[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 《蒸汽發(fā)生器》編寫組.蒸汽發(fā)生器[M].北京：原子能出版社，1982.

[3] 鄭明光，杜圣華.壓水堆核電站工程設(shè)計[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[4] 孫漢虹,程平東，繆鴻興,等.第三代核電技術(shù)AP1000[M].北京：中國電力出版社，2009.

(本文文獻格式：應(yīng)秉斌.CAP1400蒸汽發(fā)生器管束研發(fā)[J].山東化工，2018，47(02)：16-19.)