反應(yīng)堆下部堆內(nèi)構(gòu)件的損壞分析

和修復(fù)方案

口  趙志德1   何宏龍2

    (1．上海交通大學(xué)，200030；2．秦山核電公司，浙江，314300)

        摘  要  本文簡(jiǎn)要分析了泰山核電站反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件堆芯下部支承結(jié)構(gòu)的損壞情況    和原因，并重點(diǎn)介紹了修復(fù)方案及其特點(diǎn)。
        關(guān)鍵詞  核電站  下部堆內(nèi)構(gòu)件  損壞分析  修復(fù)方案
1  前言
        秦山核電站是我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的壓水堆核電站，其額定功率為300MWe。電站于1991  年12月完成調(diào)試并投入運(yùn)行，其正常換料周期為14—15個(gè)月。
    在1998年的第4次換料大修中，通過(guò)水下電視的確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件堆芯下部支承結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱為“吊籃部件”)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。秦山核電廠會(huì)同國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位進(jìn)行了損壞原因分析，并委托美國(guó)西屋公司對(duì)損壞部件及原設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)［1］。經(jīng)詳細(xì)論證，修復(fù)方案得到了秦山核電廠的認(rèn)可并獲得了國(guó)安核安全局的批準(zhǔn)，最后按此方案進(jìn)行了修復(fù)［2］。
2  損壞分析
        反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)的堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。o吊籃部件主要由簡(jiǎn)體、簡(jiǎn)體內(nèi)的圍板組件、堆芯下板、流量分配板、吊籃底板、防斷支承板、防斷底板和支承柱等組成。
        支承柱的一個(gè)重要作用是對(duì)中子通量指套管起支承和導(dǎo)向作用，因此也稱為指套管的導(dǎo)  套管。支承柱又主要分為I型支承柱和Ⅱ型支承柱兩種，參見(jiàn)圖2和圖3。
        電廠從1997年3月到1998年6月陸續(xù)發(fā)現(xiàn)個(gè)別堆芯中子通量測(cè)量指套管插入困難或有泄漏。在1998年7月開(kāi)始的第4次換料大修的指套管更換中又發(fā)現(xiàn)異常，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)堆芯下板上有異物(松動(dòng)部件)。通過(guò)水下電視確認(rèn)，反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件吊籃部件的下柵格板組件出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。主要損壞發(fā)生在支承柱部件上，具體情況如下：
        (1)原I型支承柱
原I型支承柱的M56螺母點(diǎn)焊在吊籃底板上以防止螺母松動(dòng)，螺旋扣點(diǎn)焊在M56螺母  上以防止螺旋扣松動(dòng)(參見(jiàn)圖2)。

        水下電視檢查發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上大部分點(diǎn)焊已斷開(kāi)，部分M56螺母和螺旋扣已掉，有的掉到壓力殼底部，有的被沖到流量分配板上。還有一些螺母雖未脫落，但已松動(dòng)。
        (2)原Ⅱ型支承柱
        原II型支承柱采用分段連接，十字座通過(guò)4個(gè)M8的螺釘連在吊籃底板上，螺釘?shù)姆浪刹捎眉愉N點(diǎn)焊的方式(參見(jiàn)圖3)。水下電視檢查發(fā)現(xiàn)，很多點(diǎn)焊斷裂，有個(gè)別十字架掉落到防斷支承板上，部分十字架下移。
        秦山核電廠會(huì)同國(guó)內(nèi)外有關(guān)單位，通過(guò)故障現(xiàn)象檢查、失效機(jī)理判別、堆芯流場(chǎng)分析  (CFl))、流致振動(dòng)分析(FIV)以及斷口取樣分析和計(jì)算，查明故障原因是：
        (1)原I型支承柱結(jié)構(gòu)連接件過(guò)多，M56螺母、螺旋扣的防松焊接薄弱，在水流作用下點(diǎn)焊斷裂，起不到防松作用。
        (2)原II型支承柱的固定螺釘?shù)募愉N點(diǎn)焊防松結(jié)構(gòu)可靠性差，在水流作用下，使十字座  M8螺釘?shù)姆浪射N點(diǎn)焊斷裂，進(jìn)而使螺栓松脫，造成十字座下落。
       上述設(shè)計(jì)缺陷的存在使堆芯吊籃下部結(jié)構(gòu)的承載能力不足以抵抗客觀存在的流致振動(dòng)載荷和熱載荷，在運(yùn)行中緊固件和防松點(diǎn)焊發(fā)生了疲勞斷裂。結(jié)構(gòu)部件的失效降低了吊籃部件的防斷支承組件的固有頻率，導(dǎo)致流致振動(dòng)的載荷進(jìn)一步加大，加上松脫部件在水流作用下產(chǎn)生的磨損和沖擊作用，加劇了部件的進(jìn)一步損壞，并影響到相鄰的部件。
3  修復(fù)方案
        水下電視檢查發(fā)現(xiàn)，支撐堆芯的吊籃底板、流量分配板和堆芯下板沒(méi)有失效，因此，吊籃部件損壞的修復(fù)是可行的。這是吊籃可以修復(fù)的基礎(chǔ)。
        為了防止類似損壞繼續(xù)發(fā)生，損壞部件和原來(lái)設(shè)計(jì)不合理的地方必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，損壞部件必須按照修復(fù)方案進(jìn)行修復(fù)。
綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素，秦山核電廠提出了修復(fù)方案需要滿足的兩條基本原則：
        第一，修復(fù)件或更換件的設(shè)計(jì)壽命不少于20年，即原吊籃設(shè)計(jì)的剩余壽命。

        第二，修復(fù)方案盡可能保持原設(shè)計(jì)的重要水力參數(shù)，如流場(chǎng)、流量分配不均勻系數(shù)等。符合本原則的修復(fù)方案實(shí)施完成后，無(wú)須再做流場(chǎng)試驗(yàn)，核安全局即可同意重新啟動(dòng)反應(yīng)堆。
        基于以上吊籃部件損壞的原因分析和設(shè)計(jì)原則得到的修復(fù)方案通過(guò)了國(guó)家核安全局審查和批準(zhǔn)。
         修復(fù)方案和“西屋二環(huán)路壓水堆的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案”相似，能從根本上解決原來(lái)吊籃下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的諸多缺陷。
         修復(fù)方案參見(jiàn)圖4。I型和Ⅱ型支承柱、防斷支承板、能量吸收器、防斷底板都經(jīng)過(guò)了重新設(shè)計(jì)。新部件總重量和原部件相近，但重心位置更加接近吊籃底板。這可提高吊籃部件的防斷支承組件固有頻率，從而使流致振動(dòng)的振幅降低，振動(dòng)減小。重心位置的改變是通過(guò)加大支承柱尺寸和減小能量吸收器的尺寸和重量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

        修復(fù)方案的另一個(gè)特點(diǎn)是所有33根支承柱全部可以支撐防斷支承板。在原設(shè)計(jì)中，12  根Ⅱ型支承柱采用滑動(dòng)連接，對(duì)防斷支承板不起支撐作用。
         下面將重點(diǎn)介紹一下修復(fù)方案的主要結(jié)構(gòu)  特點(diǎn)。
         (1)新I型支承柱
    原I型支承柱(參見(jiàn)圖2)為多級(jí)分段結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含很多螺紋連接件和點(diǎn)焊。與吊籃底板連接采用4-M8螺栓；與防斷支承板連接的壓緊蓋螺栓為4-M8；螺栓連接點(diǎn)焊。    新I型支承柱參見(jiàn)圖4。它是由上法蘭、柱體、下法蘭和延伸管在制造廠焊接而成的一個(gè)整體，不存在任何中間螺紋連接件和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)焊部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增加了可靠性。
        新I型支承柱通過(guò)上下兩個(gè)法蘭分別用4—M18螺栓與吊籃底板和防斷支承板連接，支承柱直徑由55mm增大到66mm，螺栓防松不采用點(diǎn)焊而是用機(jī)械鎖緊。此修改使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、剛度和強(qiáng)度增加、抗流致振動(dòng)能力加強(qiáng)。
        (2)新Ⅱ型支承柱
原Ⅱ型支承柱(參見(jiàn)圖3)為分段滑動(dòng)連接；與吊籃底板的連接螺栓為4-M8；與防斷支承板采用壓緊蓋連接；與堆芯下板采用點(diǎn)焊連接；十字座高度與吊籃底板等高。
        新Ⅱ型支承柱參見(jiàn)圖4。它的吊籃底板以下部分由4個(gè)十字肋片、柱體、下法蘭和上下延伸管組成，在制造廠焊接成一個(gè)整體。整個(gè)焊接體結(jié)構(gòu)比原來(lái)的分段連接簡(jiǎn)單可靠。
        新的連接螺栓由原來(lái)的4-M8增大到4—M18，螺栓不再采用點(diǎn)焊防松，而用機(jī)械鎖緊防松；新的支承柱直徑由原來(lái)的55mm增大到66mm，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加。
        新的十字肋片厚度由原來(lái)的底板全厚減到底板厚度的1／3，使水力對(duì)肋片的沖擊作用大大減少。
        由于以上修改，新的支承柱不但簡(jiǎn)單可靠，強(qiáng)度和剛度增加，而且因?qū)Ψ罃嘀С邪宓闹С凶饔么蟠笤鰪?qiáng)而使抗流致振動(dòng)能力得到加強(qiáng)。
        (3)新防斷支承板(參見(jiàn)圖4)
        原防斷支承板厚度為40mm，直徑2600mm。新防斷支承板與原防斷支承板外形基本相同，可以和原來(lái)的流場(chǎng)相匹配。為了增加強(qiáng)度，新防斷支承板的厚度增加到50mm，直徑改為2590mm。
        (4)新能量吸收器組件(參見(jiàn)圖4)
        能量吸收器組件是由一個(gè)防斷底板和四個(gè)能量吸收器連接柱組成的焊接體。每個(gè)連接柱由一個(gè)外簡(jiǎn)體、一個(gè)能量吸收器和一個(gè)內(nèi)部導(dǎo)向柱構(gòu)成。
        原防斷底板厚度為197mm，形狀為圓形，連接柱直徑56mm。
        新的防斷底板厚度減小為100mm，形狀改為正方形，突出的優(yōu)點(diǎn)是重量比原設(shè)計(jì)大大減輕，所有新設(shè)計(jì)部件的總重心位置更加接近吊籃底板，可提高吊籃下部部件的固有頻率，從而使流致振動(dòng)的振幅降低，振動(dòng)受力減小。
        新的連接柱直徑增加到90mm，能量吸收器內(nèi)外徑也適當(dāng)增大，以增加強(qiáng)度。
4  結(jié)束語(yǔ)
        上述結(jié)構(gòu)修改，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算程序?qū)Ψ磻?yīng)堆堆內(nèi)下腔室三維流場(chǎng)分布、防斷支承組件流致振動(dòng)、防斷支承組件載荷和結(jié)構(gòu)件緊固件應(yīng)力、疲勞水平進(jìn)行了全面的分析評(píng)價(jià)，符合修復(fù)方案需滿足的兩條基本原則。
        修復(fù)方案得到秦山核電站的認(rèn)可并通過(guò)國(guó)家核安全局的批準(zhǔn)之后，在第4次換料大修期間對(duì)吊籃成功地進(jìn)行了修復(fù)。修復(fù)后通過(guò)了核電站的最終驗(yàn)收，并正常運(yùn)行至今。因此修復(fù)方案是有效和成功的。
參考文獻(xiàn)
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