控制棒驱动机构抗震支承装置材料国产化研究

王庆田，何培峰，慕殿鹏

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041）

目前，我国在建的核电厂除了二代改进型堆型外，还有从美国引进的AP1000核电技术和从法国引进的EPR核电技术。长期以来，由于堆型不同，采用的标准体系不同（主要有RCC-M和ASME两种设计制造运行体系），导致我国的核电制造与运行体系没能形成统一的标准。通过引进吸收，实现我国设计、制造、建设和运行与国际接轨，是国家核电发展的重要组成部分，而实现核岛设备材料的国产化就是其中的一项。由于国外的材料技术体系、生产质保体系以及材料类别与国内材料体系有很大不同，给材料的国产化带来一定的困难，所以必须结合我国核电发展的特点，对控制棒驱动机构抗震支承装置材料的国产化问题加以解决。

1 设备结构与功能

控制棒驱动机构（CRDM）抗震支承装置位于反应堆压力容器顶部，其功能是在假设的地震工况下限制控制棒驱动机构的过度变形以维持其正常功能，保证控制棒驱动机构在事故工况下的功能完整性。CRDM抗震支承装置主要包括：CRDM抗震支承组件、CRDM抗震板组件和CRDM抗震拉杆预埋件。CRDM抗震支承组件见图1。CRDM抗震支承装置属于安全相关级设备（LS级），S1级支承件，抗震Ⅰ类、质保等级为Q2级。由于CRDM抗震支承装置处于反应堆一回路的外围，受到的辐射计量较小，加上其属于非承压设备，所以易于实现国产化。

图1 CRDM抗震支承结构示意图Fig.1 Schematic diagram for CRDM seismic support

2 设计要求

控制棒驱动机构安装在反应堆压力容器顶盖上，能根据反应堆控制和保护系统的指令，驱动控制棒组件在堆芯内上、下运动，保持控制棒组件在指令高度或断电落棒，完成反应堆启动、调节功率、安全停堆和事故停堆的功能。尤其是在事故工况下，控制棒驱动机构对实现反应堆安全可靠的停堆至关重要。而CRDM的抗震支承装置提供的地震情况下的抗震支承功能，对于核电站的安全运行同样不可缺少。CRDM抗震支承装置的设计寿命为40年，其工作环境见表1。考虑到可能遇到的地震载荷，抗震拉杆起到固定、支承、扶持抗震支承环的作用，设计要求的抗震拉杆的载荷为：OBE（操作基准地震工况）：40×104N，SSE（冲击停堆地震工况）：50×104N。

表1 CRDM抗震支承装置的工作环境Table 1 Work environment of CRDM seismic support

3 材料国产化

在核电厂建设中，核电装备造价占总投资的50%左右，因此，实现核电装备自主化具有重要意义。核电发达国家利用技术领先优势，形成了对世界核电主要设备市场的垄断。核电装备制造难度大，又涉及多种学科、多项技术的集成，代表着行业的较高水平。目前，我国的核电国产化率已经得到提高，秦山一期的国产化为55%，岭澳一期的国产化为30%，岭澳二期1号机组的国产化为50%、2号机组为70%，而秦山二期扩建工程3号机组的国产化率为77%。

目前，核岛设备用材料基本实现了国产化，比如压力容器用的大锻件、蒸汽发生器用的大锻件、堆内构件用的大锻件。此外，堆内构件用奥氏体不锈钢板材也实现了国产化，并开始用于辽宁红沿河核电站4号机组堆内构件吊篮筒体的制造。与核岛一回路的核心设备相比，CRDM抗震支承装置材料的国产化更易于实现。从秦山二期扩建工程和岭澳二期工程开始，国内开始了CRDM抗震支承装置用材料的国产化实践，见表2。根据母材的牌号，按照焊材的选取原则，结合国内工程实践经验，在不低于设计要求的前提下，CRDM抗震支撑装置用焊接材料也相应的实现了国产化，见表3。国产牌号母材和焊接材料与国外牌号的化学成分对比分别见表4和表5。国产牌号母材和焊接材料与国外牌号的力学性能对比表分别见表6和表7。

材料国产化的原则是尽可能采用与国外牌号相对应的国产材料，比如，国外的碳钢材料相应的替换为国产的碳钢或低合金钢材料，国外的不锈钢材料替换为相应的国产不锈钢材料。对于没有相应牌号的材料，在综合考虑结构受力等因素的前提下，采取强度匹配原则，并尽可能的减少材料的种类，同时还要考虑到经济性。对比国产和国外牌号母材和焊材的化学成分，主要差异为国外牌号的材料对于杂质元素S、P、Cu、Ni、Cr等含量的控制更为严格。

表2 主要材料牌号对比表Table 2 Contrast of main material

表3 主要焊接材料牌号国产化Table 3 Localization of the main welding materials

表4 主要母材化学成分对比表Table 4 Contrast of the chemical requirement for metal material

表5 主要焊接材料化学成分对比表Table 5 Contrast of the chemical requirements for welding material

表6 主要母材力学性能对比表Table 6 Contrast of the mechanical properties for metal material

表7 主要焊接材料力学性能对比表Table 7 Contrast of the mechanical properties for welding material

4 力学分析

抗震支承环的功能的主要通过抗震支承装置上的拉杆、抗震环、立柱和CRDM上的抗震板来实现，

5根拉杆把抗震支承环和堆坑壁上的锚固挂钩连接，3根立柱把抗震支承环和顶盖吊耳连接。抗震支承环的载荷及许用应力分别见表8和表9所示。

根据国产化的材料牌号，分别查得相应得Sy（材料的屈服强度）和Su（材料的抗拉强度），进行应力分析，计算结果显示，锚固挂钩、拉杆组件、铰支座、立柱以及抗震支承环在OBE及SSE工况下的应力均满足设计要求。

表8 CRDM抗震支承环的最大载荷Table 8 Maximal load of CRDM seismic support

表9 CRDM抗震支承环的许用应力Table 9 Allowable stress of CRDM seismic support

5 结论

通过对比分析国外牌号母材和焊材的化学成分和力学性能，在满足结构性能的基础上，核岛设备CRDM抗震支承装置实现了全部结构材料的国产化。对结构材料国产化的结构进行了力学分析，分析结果显示，采用的国产化母材和焊材的抗震支承装置的结构性能，满足设计要求，并应用到秦山二期扩建工程、辽宁红沿河核电站、福建福清核电站和方家山核电工程。