基于使用環(huán)境的防異物堵板設(shè)計及分析

蔣興福

（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430070）

0 引言

壓水堆核電站中蒸汽發(fā)生器是核動力裝置中連接一回路和二回路的樞紐，同時是核動力裝置運行中故障較多的設(shè)備之一。因而，在蒸汽發(fā)生器一次側(cè)進(jìn)行周期性的在役檢查、評估及預(yù)防性檢修是整個核電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的必備要求。

對于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)檢修時，需將一次側(cè)腔室內(nèi)的水排空，即一次側(cè)管道低水位時進(jìn)行。在檢修過程中，需使用防異物盲板對一次側(cè)接管進(jìn)行封堵，以防止在檢修過程中異物落入主管道。目前國內(nèi)防異物盲板存在安裝時間長、設(shè)備過重、安裝不便等問題。本文基于該特定的使用環(huán)境，設(shè)計了一種新結(jié)構(gòu)形式的防異物堵板。

1 約束條件分析

1.1 操作空間

蒸汽發(fā)生器下封頭為球形腔室，在腔室上開有人孔及主接管接口。在防異物堵板安裝時需要從人孔送入球形腔室，操作人員在腔室內(nèi)將其安裝至主接管密封環(huán)座上。

如圖1所示，下封頭上的人孔直徑為406 mm，主接管密封環(huán)座直徑為1054 mm。防異物堵板的安裝過程中，需要將其由小直徑的人孔送入，然后安裝至大直徑的主接管密封環(huán)座上。因此，為滿足這種使用環(huán)境要求，防異物堵板只能設(shè)計為壓縮或者折疊式等可展開結(jié)構(gòu)。

圖1 蒸汽發(fā)生器下封頭

1.2 結(jié)構(gòu)強度

在下封頭球形腔室上方為傳熱管管板，在進(jìn)行傳熱管檢修過程中，檢修設(shè)備在管板上自動運行。在檢修過程中檢修設(shè)備存在墜落風(fēng)險。

檢修設(shè)備質(zhì)量約為18 kg。當(dāng)防異物堵板安裝好后，檢修設(shè)備在堵板正上方時距離防異物堵板中心約為1.2 m。因此，防異物堵板的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)能抵抗18 kg物體從1.2 m正上方落下造成的沖擊，而不發(fā)生破壞。因防異物堵板破壞意味著封堵失效。

1.3 其它要求

防異物堵板使用環(huán)境為核電高放射性控制區(qū)域，因此現(xiàn)場操作應(yīng)盡量減少操作人員，且應(yīng)滿足快速安裝的要求。

按照慣例，防異物堵板安裝過程中在腔室外及腔室內(nèi)各安排1名操作人員。因此單個防異物堵板部件應(yīng)盡量輕，以便于手動操作。按現(xiàn)場工作經(jīng)驗，要求部件質(zhì)量小于18 kg。

為保證盡量少的人員輻射劑量，盡量減少設(shè)備數(shù)量，連接方式應(yīng)盡量簡便，以減少安裝時間。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

由前述分析，防異物堵板擬采用折疊的結(jié)構(gòu)形式。為滿足手動安裝及承受沖擊載荷的要求，擬采用鋁合金2A12板材作為主體結(jié)構(gòu)材料。該材料為高硬度硬鋁，可用來制造高負(fù)荷零件。

如防異物堵板結(jié)構(gòu)設(shè)計為單部件，根據(jù)人孔直徑及主接管密封環(huán)座直徑尺寸，單部件單折疊結(jié)構(gòu)無法通過人孔。且預(yù)估單部件形式質(zhì)量將大于18 kg。綜合考慮部件數(shù)量，考慮將設(shè)備設(shè)計為2個部件組合安裝形式，且每個部件采用單折疊形式。

按上述設(shè)想，將防異物堵板設(shè)計為圖2所示的結(jié)構(gòu)形式[1]。

圖2 防異物堵板結(jié)構(gòu)設(shè)計

防異物堵板主體包括外環(huán)板及內(nèi)板。外環(huán)板及內(nèi)板上安裝有鉸鏈，兩者均可對稱折疊。安裝過程中，外環(huán)板與內(nèi)板通過導(dǎo)向銷固定安裝，無其它螺紋等復(fù)雜連接件[2]。

同時防異物堵板還包括把手及定位塊等附屬零部件。經(jīng)計算，外環(huán)板質(zhì)量為11.6 kg，內(nèi)板質(zhì)量為7.1 kg。單個部件質(zhì)量均小于18 kg，滿足現(xiàn)場手動操作對于設(shè)備質(zhì)量的要求。

3 安裝步驟規(guī)劃

根據(jù)所設(shè)計堵板結(jié)構(gòu)形式，實際操作過程為：

1）腔室外操作人員首先將外環(huán)板折疊，將其通過一定軌跡傳遞給腔室內(nèi)人員。腔室內(nèi)操作人員將外環(huán)板展開，并安裝至主接管密封環(huán)座上。外環(huán)板折疊后經(jīng)過人孔的移動過程如圖3所示。

圖3 外環(huán)板安裝

2）外環(huán)板安裝完成后，腔室外操作人員將內(nèi)板折疊，將其傳遞給腔室內(nèi)操作人員。腔室內(nèi)操作人員將內(nèi)板展開安裝在外環(huán)板上。內(nèi)板折疊后經(jīng)過人孔的移動過程如圖4所示。

圖4 內(nèi)板安裝

4 強度分析

沖擊載荷是在很短的時間內(nèi)（作用時間小于受力機構(gòu)的基波自由振動周期的一半）以很大的速度作用在構(gòu)件上的載荷。其應(yīng)力與變形量的計算較復(fù)雜。計算時一般按照機械能守恒定律進(jìn)行。

采用該方法進(jìn)行計算時，以如下假設(shè)為前提：

1）沖擊物認(rèn)定為剛體，忽略沖擊過程中的變形。在沖擊過程中，沖擊物與被沖擊物一起運動，不發(fā)生回彈。

2）忽略被沖擊物的質(zhì)量，認(rèn)為沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力和變形在瞬間遍及被沖擊物；并假設(shè)被沖擊物仍處在彈性范圍內(nèi)。

3）假設(shè)沖擊過程中沒有其他形式的能量轉(zhuǎn)換，滿足機械能守恒定律。

最大沖擊載荷理論計算模型如圖5所示[3]。

圖5 沖擊載荷計算

沖擊物機械勢能為

式中：E為沖擊物機械勢能，J；P為沖擊物重力，N；h為沖擊物下落高度，m；Δd為在沖擊載荷P下產(chǎn)生的沖擊位移，mm。

沖擊過程發(fā)生后，被沖擊物的應(yīng)變能為

式中，k為彈性系數(shù)。

按能量守恒得

Δs為載荷P作用下產(chǎn)生的靜載荷位移，將P=kΔs代入上式得沖擊位移為

最大沖擊載荷為

在水室內(nèi)檢修設(shè)備下落非與堵板垂直接觸，主接管軸線與水平方向夾角為50°。因此靜載荷計算為

式中，m為檢修設(shè)備質(zhì)量，如前所述為18 kg。

考慮計算經(jīng)濟性，在三維軟件中對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，刪除附屬部件結(jié)構(gòu)后，將模型導(dǎo)入ANSYS中計算靜載荷位移[4]。根據(jù)實際安裝后的防異物堵板狀態(tài)，在周圍設(shè)置固定約束，在安裝板中間位置加載靜載荷。有限元分析計算如圖6所示[5]。

圖6 靜位移計算

經(jīng)計算得靜載荷位移Δs=0.14 mm，最大位移發(fā)生在中心處。

將靜載荷位移代入前述公式后計算可得最大沖擊載荷Fd=18206.96 N，約為靜載荷的132倍。采用前面相同的計算模型，將最大沖擊載荷加載在相同位置，進(jìn)行有限元分析計算，如圖7所示。

圖7 沖擊載荷下的應(yīng)力計算

由應(yīng)力分布圖可見，最大靜載荷在內(nèi)板中心位置，并且沿徑向方向逐漸減小。在鉸鏈安裝位等局部結(jié)構(gòu)特征位置時，出現(xiàn)局部應(yīng)力增加的情況。在內(nèi)板與外環(huán)板過渡安裝位置，即載荷傳遞位置處應(yīng)力較大，外環(huán)板向外圍徑向方向逐漸減小，在到達(dá)與主接管密封環(huán)座接觸的位置，應(yīng)力又局部增大后減小。防異物堵板由中心位置至邊緣在徑向方向上的應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 徑向應(yīng)力分布圖

對于計算所得應(yīng)力，去除局部應(yīng)力集中點干擾。中心位置最大應(yīng)力值約140 MPa，在鉸鏈安裝的開孔位置局部應(yīng)力達(dá)180 MPa。所選鋁合金材料強度σb≥425 MPa。因此，在沖擊載荷下，防異物堵板不會發(fā)生破壞，導(dǎo)致封堵失效。

5 操作試驗

按設(shè)計方案制造防異物堵板樣件如圖9所示。

圖9 防異物堵板樣件

按現(xiàn)場實際情況，安排2名操作人員在蒸汽發(fā)生器下封頭球形腔室模型上按前述安裝步驟進(jìn)行模擬安裝操作，過程如圖10～圖11所示。

圖10 外環(huán)板安裝

圖11 內(nèi)板安裝

防異物堵板樣件可按前述安裝步驟規(guī)劃順利完成安裝。堵板質(zhì)量在人員手動安裝承受范圍內(nèi)，未出現(xiàn)其它異常。

6 結(jié)語

為研究滿足蒸汽發(fā)生器下封頭球形腔室內(nèi)使用要求的防異物堵板，重點對環(huán)境尺寸、結(jié)構(gòu)強度要求等進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，并規(guī)劃了防異物堵板在腔室內(nèi)的安裝過程。同時，根據(jù)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的設(shè)備墜落沖擊，進(jìn)行了強度校驗。有限元分析計算結(jié)果表明，堵板結(jié)構(gòu)強度滿足在設(shè)備沖擊情況下不會發(fā)生破壞。樣件完成后，在蒸汽發(fā)生器模型上進(jìn)行了模擬安裝演練，試驗結(jié)果表明，該堵板結(jié)構(gòu)形式可滿足特定的蒸汽發(fā)生器使用環(huán)境的安裝要求。