M310型核主泵專用屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的設(shè)計(jì)研究

汪海，孫勝，童明炎，戴鈺冰，吳紅偉

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院一所，成都 610005）

0 引言

核電站主泵長(zhǎng)期與反應(yīng)堆一回路冷卻劑接觸，一些放射性雜質(zhì)及活化產(chǎn)物沉積在其表面，形成放射性污染。根據(jù)核電站安全運(yùn)行規(guī)定，主泵的水力部件需要在規(guī)定的服務(wù)期限內(nèi)返廠檢修，這就需要專用的屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶對(duì)水力部件進(jìn)行屏蔽包裝。根據(jù)GB 11806《放射性物品安全運(yùn)輸規(guī)程》，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶必須滿足A類貨包的相關(guān)規(guī)定，如：能在設(shè)計(jì)的事故工況下保護(hù)水力部件不被損壞；能有效屏蔽水力部件的放射性劑量；能承受一定的內(nèi)壓、具有良好的密封性；能保證自身包容結(jié)構(gòu)的完整性；能耐低溫環(huán)境[1-2]。本文從屏蔽設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、試驗(yàn)檢測(cè)、屏蔽驗(yàn)證計(jì)算等方面開展了屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的設(shè)計(jì)研究。

1 屏蔽能力設(shè)計(jì)

根據(jù)核主泵檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，水力部件各部位最大輻射水平別為：頂部為1 mSv/h，側(cè)面為450 mSv/h，底部為600 mSv/h[3]。屏蔽計(jì)算采用QAD-CG程序進(jìn)行，QAD-CG程序是美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的點(diǎn)核積分程序，是各種類型反應(yīng)堆屏蔽設(shè)計(jì)的基本程序，在我國(guó)獲得了廣泛認(rèn)可并得到了業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可。根據(jù)擬定的計(jì)算模型和條件，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同鉛屏蔽厚度的空氣吸收劑量率 mGy/h

可見，當(dāng)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶頂部、側(cè)面、底部的鉛屏蔽厚度分別為16、95、102 mm時(shí)可以保證表面輻射水平不超過2 mSv/h，距表面2 m處的輻射水平不超過0.1 mSv/h的，滿足GB 11806規(guī)范要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶主要由壓緊法蘭、桶壁部件、桶底部件、端面法蘭、活節(jié)螺栓組件組成。其中桶底部件、桶壁部件、端面法蘭焊接成一個(gè)桶體，壓緊法蘭通過活節(jié)螺栓與桶體連接在一起，桶底部件與桶壁部件均采用中間灌鉛結(jié)構(gòu)，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的結(jié)構(gòu)如圖1所示。屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶桶底的屏蔽能力等效于108 mm鉛屏蔽，桶壁的屏蔽能力等效于95 mm鉛屏蔽。屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶頂部的屏蔽能力等效于125 mm鉛屏蔽。水力部件吊裝進(jìn)入屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶后，由壓緊法蘭通過24組均布的活節(jié)螺栓將水力部件緊固。水力部件通過自重壓緊墊片，在屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶內(nèi)腔形成一個(gè)密封腔室，對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶內(nèi)腔充入一定壓力的氮?dú)饩涂梢苑乐顾Σ考砻娼饘傺趸痆4-6]。

圖1 核主泵專用屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶結(jié)構(gòu)圖

屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用了防止射線泄漏的措施，如將端面法蘭設(shè)計(jì)成凸臺(tái)形、進(jìn)/排氣預(yù)埋管設(shè)計(jì)成曲線形等。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算主要考慮了水力部件自重對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶內(nèi)外壁及活節(jié)螺栓的影響。水力部件放入屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶后，其自重由端面法蘭支撐，端面法蘭又將力傳遞到內(nèi)壁與外壁兩個(gè)結(jié)構(gòu)件上，因此此處可以簡(jiǎn)化為屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶內(nèi)外壁平均分配水力部件的自重。由于水力部件在運(yùn)輸過程中必須全程預(yù)緊，因此采用假定屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶在傾斜90°的極端情況下活節(jié)螺栓仍然能保證水力部件與屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的接觸面不產(chǎn)生相對(duì)位移作為條件來對(duì)活節(jié)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的條件、計(jì)算依據(jù)、計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

4 試驗(yàn)仿真分析

根據(jù)GB 11806規(guī)定，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶應(yīng)進(jìn)行0.3 m跌落試驗(yàn)和運(yùn)輸加速度沖擊試驗(yàn)[7-8]。

4.1 跌落試驗(yàn)分析

跌落試驗(yàn)分析采用了ANSYS中的LS-DYNA模塊進(jìn)行計(jì)算，LS-DYNA的顯式算法能快速求解瞬時(shí)大變形動(dòng)力學(xué)、大變形和多重線性準(zhǔn)靜態(tài)問題及復(fù)雜的接觸碰撞問題[9-11]，并采用顯示動(dòng)力分析的體單元solid164和殼單元shell163建立有限元模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶內(nèi)外壁之間所灌的鉛層去掉，而將鉛的質(zhì)量均勻分布到內(nèi)外壁上。由于跌落試驗(yàn)時(shí)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶安裝在專用的箱體中，因此跌落試驗(yàn)分析設(shè)置了箱體底面跌落、箱體短側(cè)邊跌落、箱體長(zhǎng)側(cè)邊跌落、箱體中心45°跌落、箱體短邊45°跌落、箱體長(zhǎng)邊45°跌落等6種跌落模式[12]。跌落時(shí)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的最低點(diǎn)到剛性靶面上的距離為0.3 m，重力加速度為9.81 m/s2。

屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的塑性變形按照ASME III NB 準(zhǔn)則進(jìn)行控制，要求塑性應(yīng)變?chǔ)男∮?%[13]。螺栓采用極值應(yīng)力進(jìn)行控制，要求比較應(yīng)力σv不得超越靜態(tài)屈服極限[14]。

經(jīng)過模擬計(jì)算，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶跌落后應(yīng)力及應(yīng)變情況如表3所示。可見在6種不同的跌落模式下，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的最大應(yīng)變?yōu)?.81%，不超過 ASME III NB 準(zhǔn)則規(guī)定的5%的限值；壓緊螺栓的最大比較應(yīng)力為554.36 MPa，不超過靜態(tài)屈服極限640 MPa。

表3 屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶跌落分析

4.2 運(yùn)輸加速度沖擊試驗(yàn)

運(yùn)輸加速度沖擊試驗(yàn)分析采用了ANSYS 中的Structural模塊進(jìn)行計(jì)算，ANSYS Structure分析模塊是完整的結(jié)構(gòu)分析工具，具有一般靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和非線性分析能力及復(fù)合材料、斷裂、疲勞、優(yōu)化等分析功能[15]，并采用了殼單元shell 181和實(shí)體單元solid 185建立有限元模型。運(yùn)輸加速度沖擊試驗(yàn)分析的載荷為在直角坐標(biāo)系的3個(gè)方向同時(shí)施加2g的加速度。

圖2 屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖3 水力部件質(zhì)心與屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶法蘭相對(duì)加速度值

屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的運(yùn)輸加速度沖擊試驗(yàn)分析按照ASME III D3 WB3221-1的力學(xué)評(píng)定準(zhǔn)則來評(píng)定：

式中：Pm為一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度；Pm+Pb為一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度。屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的運(yùn)輸加速度沖擊試驗(yàn)應(yīng)力如表4所示。

表4 運(yùn)輸加速度沖擊試驗(yàn)應(yīng)力

5 屏蔽性能檢驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的屏蔽能力，采用了Co-60放射源測(cè)試衰減情況，測(cè)試時(shí)在屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶表面每隔100 mm×100 mm劃分為一個(gè)區(qū)域，測(cè)試結(jié)果表明最小的減弱倍數(shù)為110倍。

5.1 正常工況下的屏蔽能力計(jì)算

以主泵最大輻射水平600 mSv/h作為初始條件，采用QAD-CG程序計(jì)算出輻射劑量經(jīng)過110倍減弱倍數(shù)后在表面最大的輻射水平為0.2 mSv/h，在距表面2 m處最大的輻射水平為0.04 mSv/h，滿足規(guī)范要求，詳細(xì)的計(jì)算數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶正常工況與事故工況下的屏蔽計(jì)算結(jié)果

5.2 事故工況下的屏蔽能力計(jì)算

5.2.1 事故工況下鉛變形量計(jì)算

事故工況下，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶鉛層的塌陷會(huì)直接影響其屏蔽能力。為保守考慮鉛的塌陷對(duì)屏蔽能的影響，此處采用《輻照核燃料運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)指南》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶在水平跌落0.3 m和豎直跌落0.3 m后產(chǎn)生的軸向與徑向塌陷量，然后將二者疊加進(jìn)行屏蔽能力計(jì)算。

1）軸向塌陷量計(jì)算公式為

式中：R為鉛層的外徑；W為屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶及水力部件的總重；H為跌落高度；r為鉛層的內(nèi)徑；ts為外壁厚度；σs為外壁材料的屈服強(qiáng)度；σPb為鉛的流動(dòng)應(yīng)力。代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得，ΔH=4.8 mm。

2）徑向塌陷量計(jì)算。屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶下落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為容器外殼、端頭變形的吸收能和鉛的變形能，由能量守恒定律可得：

查《輻照核燃料運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)指南》表5-3得θ=6°。

徑向塌陷量d、鉛層外徑R及變形區(qū)域?qū)?yīng)的角度θ之間的關(guān)系為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得d=4.4 mm。

綜上，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶在經(jīng)過0.3 m的豎直跌落后，在鉛層的軸向會(huì)產(chǎn)生4.8 mm的塌陷；屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶在經(jīng)過0.3 m的水平跌落后，在鉛層的徑向會(huì)產(chǎn)生4.4 mm的塌陷。

5.2.2 事故工況下的屏蔽能力計(jì)算

在屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶鉛層軸向產(chǎn)生4.8 mm塌陷、徑向產(chǎn)生4.4 mm塌陷后，通過QAD-CG程序計(jì)算出最大輻射劑量經(jīng)過110倍減弱倍數(shù)后表面最大的輻射水平為0.24 mSv/h，在距表面2 m處最大的輻射水平為0.046 mSv/h，同時(shí)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶事故工況下屏蔽能力的減弱不超過20%，滿足規(guī)范要求，詳細(xì)的計(jì)算數(shù)據(jù)如表5所示。

6 結(jié)論

經(jīng)過屏蔽計(jì)算、屏蔽檢測(cè)及對(duì)正常與事故工況下屏蔽能力驗(yàn)證，本文完成了對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶屏蔽能力的設(shè)計(jì)；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、力學(xué)分析，完成了對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)。分析及試驗(yàn)檢測(cè)證明：屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的屏蔽性能滿足限值條件，能夠屏蔽核主泵的輻射劑量；屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶在靜載荷條件下、跌落工況下、運(yùn)輸加速度沖擊工況下的最大應(yīng)力與應(yīng)變均小于許用值，力學(xué)性能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)核主泵的支撐與保護(hù)。綜上，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)桶的屏蔽能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足GB 11806規(guī)范的要求。