壓水堆核電廠循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)輕量化設(shè)計(jì)與可靠性研究

□曹文平

一、引言

壓水堆核電廠必須盡可能地保持連續(xù)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)利潤最大化，同時(shí)必須保證核安全，必須嚴(yán)格控制致命缺陷的發(fā)生，避免非計(jì)劃性的停機(jī)停堆事件。秦山二期擴(kuò)建工程3/4#機(jī)組循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)采用了新型人字型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)改進(jìn)以減輕負(fù)荷，在降低制造運(yùn)行成本的同時(shí)，期望可提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。鼓形濾網(wǎng)自運(yùn)行以來，總體運(yùn)行良好，但也出現(xiàn)了一些問題。現(xiàn)象一：現(xiàn)場觀測其在循環(huán)水流沖擊下自轉(zhuǎn)速度超過了設(shè)備設(shè)計(jì)低轉(zhuǎn)速(5米/min),有時(shí)甚至超過其設(shè)計(jì)高轉(zhuǎn)速(16米/min)。現(xiàn)場實(shí)際表現(xiàn)為鼓形濾網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)受到流場驅(qū)動，表現(xiàn)為本體大齒輪帶動電機(jī)小齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)反而起到阻礙其運(yùn)動的作用。現(xiàn)場觀測鼓形濾網(wǎng)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速吻合，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。現(xiàn)象二：鼓形濾網(wǎng)運(yùn)行兩個(gè)換料循環(huán)后，現(xiàn)場還產(chǎn)生了輪轂出現(xiàn)裂紋的缺陷。此缺陷的產(chǎn)生與前述運(yùn)行機(jī)制改變是否有關(guān)聯(lián)，能否有辦法針對性進(jìn)行改進(jìn)，這種輕量化設(shè)計(jì)是否確實(shí)提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，需要從理論和工程實(shí)際兩方面來評估。

二、鼓形濾網(wǎng)的功能和參數(shù)

鼓形濾網(wǎng)是壓水堆核電站循環(huán)水系統(tǒng)取水部分的主要過濾設(shè)備。功能是將海水中經(jīng)格柵處理后的細(xì)小雜質(zhì)去除，以保證后續(xù)的水泵和傳熱設(shè)備的正常運(yùn)行。主要參數(shù)如下：

型號： GWNS-19x5型

單機(jī)組數(shù)量： 2臺

介質(zhì)： 海水

水流方式： 網(wǎng)內(nèi)進(jìn)水，網(wǎng)外出水

設(shè)計(jì)流量： 19m3/s

設(shè)計(jì)最大過網(wǎng)流速： 0.8m/s

鼓形濾網(wǎng)直徑： Φ19m

鼓形濾網(wǎng)寬度： 5m

鼓形濾網(wǎng)有效寬度： 3.958m

網(wǎng)孔孔徑： Φ4.2mm

網(wǎng)板線速度： 5/15m/min

極限設(shè)計(jì)水位差： 1.5m

低速運(yùn)行水位差： ≤0.2m

高速運(yùn)行水位差： >0.2m

第一次報(bào)警水位差： 0.3m

第二次報(bào)警水位差： 0.5m

安全等級： NC

規(guī)范等級： NA

質(zhì)保等級： Q3

抗震類別： NO

主要結(jié)構(gòu)： 人字形

圖1 鼓形濾網(wǎng)骨架圖

三、鼓形濾網(wǎng)輕量化設(shè)計(jì)改進(jìn)

秦山二期擴(kuò)建鼓形濾網(wǎng)在設(shè)計(jì)上相對于秦山二期鼓形濾網(wǎng)有多達(dá)18項(xiàng)改進(jìn)，通過提高設(shè)備本身的整體骨架設(shè)計(jì)并滿足相關(guān)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算，從而降低了設(shè)備重量超過25%，有效降低了設(shè)備運(yùn)行載荷，理論上在降低工程造價(jià)同時(shí)有利于提高設(shè)備可靠性。其中在結(jié)構(gòu)上主要改進(jìn)如表1所示。

四、鼓形濾網(wǎng)強(qiáng)度、剛度計(jì)算

對鼓形濾網(wǎng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，對輪轂和主橫梁使用位移三次插值實(shí)體模擬，以獲得高精度的應(yīng)力。主軸、主輻條、副輻條、副橫梁、支撐梁I、支撐梁II、齒圈固定槽、邊框架、連接管、連接角鋼屬于細(xì)長型結(jié)構(gòu)，使用六自由度的三維梁單元模擬就可以獲得很高的精度。主軸梁單元與輪轂殼單元的連接使用了剛平面假設(shè)位移約束方程的方法，以模擬實(shí)際情況。邊界條件為:主軸一端結(jié)點(diǎn)三個(gè)線位移固定，另一端結(jié)點(diǎn)兩個(gè)線位移固定(沿軸向線位移自由)。鼓形濾網(wǎng)材料的機(jī)械性能常數(shù)如表2所示，力學(xué)計(jì)算強(qiáng)度和剛度的主要結(jié)果如表3、圖2和圖3所示，證明了輕量化設(shè)計(jì)滿足力學(xué)要求。

表1 鼓形濾網(wǎng)主要改進(jìn)項(xiàng)對照表

表2 鼓形濾網(wǎng)材料機(jī)械性能常數(shù)

表3 最大水壓力下工作工況下鼓形濾網(wǎng)主要部件應(yīng)力

圖2 最大水壓力下工作工況鼓形濾網(wǎng)應(yīng)力云圖

圖3 最大水壓力下工作工況鼓形濾網(wǎng)輪轂應(yīng)力云圖

五、鼓形濾網(wǎng)自轉(zhuǎn)機(jī)理分析

鼓形濾網(wǎng)的運(yùn)行受力主要由循環(huán)水泵運(yùn)行吸力產(chǎn)生的流場驅(qū)動力、電機(jī)驅(qū)動力以及軸承等摩擦阻力組成，輕量化設(shè)計(jì)之后，其運(yùn)轉(zhuǎn)方式在高低潮水位下運(yùn)行受力情況發(fā)生了明顯的變化。由于人字形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，受吸力流場的影響以及設(shè)備重量減輕載荷的降低導(dǎo)致設(shè)備摩擦阻力變化，需要分析新設(shè)計(jì)鼓形濾網(wǎng)在運(yùn)行工況下的受力導(dǎo)致鼓形濾網(wǎng)在低速運(yùn)行時(shí)自運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制產(chǎn)生的原因。

(一)鼓形濾網(wǎng)高潮水位時(shí)受力計(jì)算。根據(jù)流道中流場定性分析，鼓形濾網(wǎng)在高潮水位時(shí)所受水流影響更大，因此只針對高潮水位時(shí)的受力情況進(jìn)行計(jì)算：第一，按最高潮水位61.1m計(jì)算；第二，以其常用的低速轉(zhuǎn)動時(shí)線速度為5m/min的工況進(jìn)行計(jì)算；第三，根據(jù)鼓網(wǎng)進(jìn)水流道流場模擬出進(jìn)水流速方向?yàn)?5度；第四，對現(xiàn)場的一些具體條件進(jìn)行了簡化處理，忽略設(shè)備本身對流場的影響、縮短進(jìn)水口的流道長度、忽略網(wǎng)板厚度。

計(jì)算方法為：一是利用數(shù)值模擬方法，計(jì)算沒有鼓形濾網(wǎng)時(shí)的流場；二是利用繞流理論計(jì)算鼓形濾網(wǎng)主輻條、副輻條、主橫梁、副橫梁所受到的力矩，規(guī)定逆時(shí)針的力矩為負(fù)，順時(shí)針的力矩為正。

1.數(shù)值計(jì)算忽略鼓形濾網(wǎng)情況下的流場。采用k-ε紊流模型計(jì)算沒有鼓形濾網(wǎng)情況下的流場，水面采用VOF法處理。計(jì)算區(qū)域和計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示，包括進(jìn)口、腔體和出口，為了計(jì)算的需要，出口向x方向進(jìn)行了延程。

圖4 鼓形濾網(wǎng)流道計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

水面高度約為61.1m，經(jīng)過數(shù)值模擬，得到流道內(nèi)的流場，利用數(shù)值插值，得到輻條處中心點(diǎn)流場，如圖5所示。

2.計(jì)算水流作用于低轉(zhuǎn)速鼓形濾網(wǎng)的力矩。將鼓形濾網(wǎng)加入流場后，流場對其作用力矩主要影響主輻條、副輻條、主橫梁、副橫梁，其余結(jié)構(gòu)件忽略不計(jì),利用圓柱繞流公式計(jì)算橫梁和輻條每段上的水流作用力及作用力矩，計(jì)算時(shí)流場絕對速度改為相對鼓形濾網(wǎng)的速度。

Fd：力矩

CD：繞流系數(shù)

ρ:密度

U0：流速

A：截面積。

主輻條計(jì)算：以正下方主輻條起算記為第1根，將每根主輻條均分為10等分(第10、11、12根輻條露出水面部分除外)。人字型頭部夾角很小，在本計(jì)算中可忽略不計(jì)。人字型主輻條數(shù)量加倍，力矩需加倍。

副輻條計(jì)算：以第1根主輻條順時(shí)針方向的第一根副輻條為第1根副輻條。同理，將每根副輻條均分為10等分(第9、10、11、12根輻條露出水面部分除外)。

主橫梁、副橫梁計(jì)算：平行于水面，直接計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表4、表5所示。

圖5 水流速度矢量示意圖

表4 各部件力矩計(jì)算結(jié)果

表5 各部件力矩計(jì)算結(jié)果與相關(guān)參數(shù)匯總

(二)鼓形濾網(wǎng)其他受力分析。鼓形濾網(wǎng)還受到摩擦阻力：鼓網(wǎng)邊與邊墻摩擦阻力、主軸軸承、盤根等的摩擦阻力。一般情況下，這部分阻力相對于水流場對鼓網(wǎng)的影響較小。以鼓形濾網(wǎng)滾動軸承力矩為例來說明：鼓形濾網(wǎng)的主軸軸承型號：SKF24148CCK30/W33，查閱SKF軸承手冊，摩擦系數(shù)為0.0018。

根據(jù)單個(gè)軸承摩擦力矩公式M=uPd/2

M:摩擦力矩

u:摩擦系數(shù)

P：軸承負(fù)荷

d：軸承公稱直徑

計(jì)算得M=uPd/2=0.002×(66450*9.8/2)*0.24/2=79N·m，兩端軸承則總阻力矩為158N·m。由于其他摩擦阻力更小忽略后得到設(shè)備所受的全力為：-2310.778+158=-2153(N·m)，由此可判斷流場是影響鼓形濾網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制的主要因素。

六、鼓形濾網(wǎng)運(yùn)行可靠性研究

(一)鼓形濾網(wǎng)缺陷分析。3/4#機(jī)組鼓形濾網(wǎng)的運(yùn)行機(jī)制變化會導(dǎo)致其在兩種模式下多次轉(zhuǎn)換，特別是在臨界水位，會額外增加骨架疲勞應(yīng)力。對比分析秦山二期工程兩臺機(jī)組初始運(yùn)行的5個(gè)周期，統(tǒng)計(jì)分析鼓形濾網(wǎng)的現(xiàn)場缺陷如表6所示。

表6 CRF鼓形濾網(wǎng)運(yùn)行前5年缺陷統(tǒng)計(jì)

從表6可以看出，3/4#機(jī)組針對1/2#機(jī)組實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)后并針對網(wǎng)片增強(qiáng)后，鼓網(wǎng)在骨架和網(wǎng)片的缺陷得到了大幅消除，特別是骨架強(qiáng)度、剛度得到了有效提高，實(shí)現(xiàn)了0缺陷。但同時(shí)由于鼓網(wǎng)的運(yùn)行方式在不同潮水位時(shí)運(yùn)行機(jī)制變化，對鼓網(wǎng)的受力產(chǎn)生了交替變化，對輪轂、安全銷和緊固件產(chǎn)生了不利的疲勞影響，輪轂的缺陷有所增加。綜合來看，輕量化設(shè)計(jì)后鼓形濾網(wǎng)的可靠性確實(shí)有效提升，通過對輪轂等相對薄弱的部位實(shí)施針對性改造，則可進(jìn)一步提升設(shè)備可靠性。

(二)鼓形濾網(wǎng)輪轂改造后運(yùn)行情況。3/4#機(jī)組其中兩臺設(shè)備在兩個(gè)大修循環(huán)運(yùn)行后出現(xiàn)輪轂裂紋，現(xiàn)場陸續(xù)對4臺設(shè)備進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)壽命40年：305大修對3CRF202TF進(jìn)行輪轂改進(jìn)加固；306大修對3CRF201TF進(jìn)行輪轂改進(jìn)加固；401大修對4CRF201/202TF進(jìn)行輪轂改進(jìn)加固；

在全部4臺鼓形濾網(wǎng)改造后，運(yùn)行至今，輪轂再未出現(xiàn)同樣的問題，設(shè)備可靠性進(jìn)一步提高。

七、結(jié)語

秦山二期擴(kuò)建工程3/4#機(jī)組循環(huán)水鼓形濾網(wǎng)運(yùn)行以來，由于其輕量化的人字形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面有效提高了鼓形濾網(wǎng)骨架強(qiáng)度、剛度，極大降低了荷載和主軸相關(guān)摩擦付磨損；另一方面由于骨架繞流面積增加，設(shè)備在外部水位條件影響下，運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制輪換受交變力影響增加疲勞應(yīng)力。通過統(tǒng)計(jì)分析改進(jìn)后的設(shè)備可靠性得到了提升，特別是在進(jìn)一步針對薄弱部分改進(jìn)后，如輪轂加強(qiáng)、齒輪材質(zhì)提升、螺栓緊固方式提升后，設(shè)備可靠性得到了進(jìn)一步改善。

鼓形濾網(wǎng)的輕量化設(shè)計(jì)，一是減少了工程造價(jià)(材料節(jié)省、電機(jī)運(yùn)行能耗節(jié)約)，二是對設(shè)備的運(yùn)行可靠性起到了積極的作用。通過本文分析，特針對性提出設(shè)計(jì)建議：一是改變?nèi)俗中沃鬏棗l、副輻條、主橫梁、副橫梁的材質(zhì)，在保持強(qiáng)度、剛度的前提下，減小體積。二是改變?nèi)俗中沃鬏棗l、副輻條、主橫梁、副橫梁的形狀以減小繞流面積，在保持強(qiáng)度、剛度的前提下，減小體積。三是改變輪轂材料、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，提高其安全系數(shù)。

通過以上措施，有望消除鼓形濾網(wǎng)交變運(yùn)行機(jī)制，減少疲勞沖擊。這些措施建議可提供給相關(guān)設(shè)備廠家參考，在后續(xù)設(shè)計(jì)中積極開展實(shí)踐驗(yàn)證工作，進(jìn)一步提高核電設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)水平。