三代核主泵全部飞轮组件飞射对压力边界的冲击破坏分析*

谷凤玲，张贵滨，王超，张进宝

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066)



三代核主泵全部飞轮组件飞射对压力边界的冲击破坏分析*

谷凤玲，张贵滨，王超，张进宝

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066)

介绍了三代核反应堆冷却剂泵电机飞轮在反应堆系统中的作用，重点阐述了作为安全相关部件-重金属飞轮对整个系统运行和安全停堆的重要性。结合能量传递、能量损失的物理理论，通过主泵电机整个飞轮组件破裂、飞射的分析实例，推导出重金属飞轮破裂飞射冲击周围压力边界时的能量损失的过程及飞射物对压力边界的影响，并与主泵设计规范书中的许用值进行对比，计算出安全裕度。该理论的推导和应用对核主泵飞轮的破裂分析具有重要意义。

三代核主泵；飞轮；破裂；能量损失

0　引言

随着全球经济的蓬勃发展，能源的可持续发展问题日渐突出。作为世界能源的重要组成部分，核电以其清洁、高效、安全的优势，被越来越多的国家重视。我国人均能源资源占有率较低，且分布不均匀，因此大力发展核能对于改善我国能源供应结构，降低环境污染，保障国家能源安全和经济安全具有重要意义。

第三代核主泵是大型先进压水堆反应堆一回路系统的重要核一级设备，是反应堆压力边界内的唯一能动设备，是非能动型反应堆的关键主设备。在第三代核主泵设计规范书中，重金属飞轮被定义为安全相关部件。由于飞轮质量大、转速高，一旦出现事故，会产生高能飞射物，对反应堆冷却机泵组装配造成较大震动，甚至有可能会对反应堆冷却剂系统、安全壳或外设安全设施造成损坏，引起重大安全事故。飞轮材料的选用，结构和安全性的设计分析是主泵设计中至关重要的环节，是核主泵安全、可靠运行的重要保证。在突发地震或洪涝等自然灾害下，飞轮会起到安全停堆、满足惰转需求，提供泵运行过程中的转动惯量的作用。

1　传统屏蔽电机的飞轮形式和第三代核主泵电机飞轮的主要区别

传统屏蔽电机的一些机型存在一个飞轮，位于电机的上部；而某系列主泵电机在结构上甚至没有飞轮，仅靠转子提供相应的转动惯量。本文所述单级的离心式无密封屏蔽电动泵中，存在两个飞轮组件：上飞轮和下飞轮。飞轮增加了转动部件的转动惯量。上飞轮位于热屏和上导轴承之间；下飞轮位于上、下推力盘之间。飞轮的材料选用一种可机加工的高密度钨基金属，这种材料的主要成份是钨(含97%)，外加镍和铁金属粉末，它可以在有限的空间体积内实现高转动惯量，以保证主泵的惰转。在飞轮的设计过程中，主要考虑飞轮转速为1.25倍的电机同步转速，考虑了所有预期的超速工况。在结构设计中通过热套、锥面配合、分块钨金结构和在钨金块热套高强度保持环，进行轴向、径向的固定和消除其综合应力。

2　重金属飞轮结构及原理

三代核主泵电机中也存在两个飞轮(上飞轮和下飞轮)。飞轮包含在压力边界之内，由轮毂、钨金块、高强度保持环及外壳等部件构成。飞轮的保持环采用高强度材料，目的是起到限制钨金块的作用。主泵电机飞轮主要由飞轮组件和轮毂组成，组套在主泵电动机的轴上。为了满足飞轮的转动惯量要求，上飞轮和下飞轮都具有较大的质量和外径。因此在电机高速运转时，飞轮承受较大的离心力。

在三代主泵飞轮的设计中，分析在主泵的运行工况及突发事件中，飞轮是否能够保持完整以及飞轮破裂后的高能量飞射物是否能穿过压力边界部件，对泵周围的人或物的安全产生威胁是十分必要的。国内外虽然对飞轮的完整性研究和关注程度日益增高，但对于飞轮完整性的研究经验还比较少，基本通过解析法和有限元进行计算分析，大部分关于飞轮完整性的研究主要是考虑过盈、额定转速、超速(125%额定转速)的应力和变形等载荷工况，从结构强度和断裂力学方面进行分析，计算飞轮本体在规定工况下能够保证其结构完整性。

本文从能量消耗的角度阐述飞轮破裂后，飞射的重金属对压力边界的影响。压力边界能否不被破坏，即飞射物不会穿透压力边界对周围人和物的安全和使用功能产生威胁，对整个核反应堆的安全运行至关重要。

飞轮的破裂分析是在假设保持环已经发生破裂的情况下进行的，分析的目的是为了确保破裂飞轮的钨金块的能量不足以穿透压力边界，不会对主泵周围的人或物造成威胁。飞轮的圆筒形外壳破坏过程分为两个阶段：第一阶段为非弹性冲击和传递至保持环的动量，如果塑性压缩以及剪切应变所消耗能量足以抵消飞轮的动能的损失，外壳就不会产生剪切变形，然后进入包含外壳塑性拉伸变形的第二阶段。对于外壳来说，其塑性拉伸变形的能量损耗必须抵消飞轮的残余动能。

3　飞轮组件对外壳冲击的破坏分析

3.1上飞轮组件对飞轮外壳冲击的破坏分析

在对整个飞轮进行分析时，需要考虑全部组件的质量，并计算整个组件的重心半径

式中，Wmass—组件总质量，包括钨块、保持环及外壳。

组件的初始速度为

V1=1.25×ωrad×rc

式中，rc—组件的重心半径。

所有组件的初始动能为

动量传递过程中的能量损耗(阶段1)可按下式计算

式中，M2—在外壳受到加速冲击的质量。

图1和图2为不同情况下M2的计算方法。按照这个方法，可以保守假设m22不起作用。主泵电机的封头和隔热屏起到保护飞轮的作用，忽略其他复杂的几何结构。从图1，图2中可以看出，忽略与封头和隔热屏组成的外壳接触的长度，可以假设M2只与竖直方向h1的高度有关。因此，M2=m21。

为了动量有效传递，△E1必须在与外壳的冲击接触区域以应变能的形式吸收掉。能量通过两种途径被吸收：(1)接触面上外壳的压缩；(2)接触面边缘的剪切变形。不发生破裂条件为(阶段1)

Es+Ec>△E1

式中，Es—剪切应变能；Ec—保护外壳的压缩能，即外壳发生变形前与嵌入物接触区域吸收的压缩能的大小。

由于阶段1保护外壳没有发生穿透破坏，需要考核初始动能E1的剩余部分△E2。阶段2的能量必须以单轴拉伸应变或双轴拉伸应变的形式被吸收。保护外壳的安全标准(阶段2)为

E1>△E2

轴向拉伸应变能Et可以有下式计算

Et=Q×εt×σd

式中，Q—在塑性流动应力σd作用下材料发生应变的体积；εt—最大平均应变；σd—材料压缩过程的平均塑性流动应力。

初始动能剩余部分

3.2全部下飞轮组件对飞轮外壳冲击的破坏分析

在防止下飞轮破坏压力边界外壳计算中，采用的计算理念和上飞轮基本相同，不同之处为M2的计算方法。核主泵电机的下法兰起到保护飞轮的作用，忽略其他复杂的几何结构。从图2中可以看出，外壳向上或向下延伸的长度小于3T，因此M2=m21+0.27m22

4　计算实例

结合反应堆冷却剂泵屏蔽电机飞轮装配的主要尺寸数据和钨合金飞轮结构，应用本文介绍的能量传递、能量损失以及在全部飞轮组件飞射时在压力边界上的应变形式的理论，计算该核主泵电机飞轮发生全部组件飞轮飞射对周围压力边界的冲击，并结合核主泵电机设计规范书的要求，论证飞轮的安全性能。上飞轮装配主要尺寸

飞轮外径：980mm；飞轮厚度：308mm；

轴线到轮毂：580.4mm；

轴线到保持环：946mm；

上飞轮重量：3181kg。上飞轮全部组件对外壳冲击破坏分析结果见表1。

表1　上飞轮全部组件同时对外壳冲击破坏分析计算结果　单位：kJ

下飞轮装配主要尺寸

飞轮外径：980mm；飞轮厚度：295.4mm；

轴线到轮毂：580.4mm；

轴线到保持环：946mm；

下飞轮重量：2183kg。下飞轮全部组件对外壳冲击破坏分析结果见表2。

表2　下飞轮全部组件同时对外壳冲击破坏分析计算结果　单位：kJ

5　结语

通过第三代反应堆冷却剂泵全部飞轮飞射时动能的计算数据，与反应堆冷却剂泵设计规格书中许用的安全裕度对比分析后得出如下结论。

(1)从能量传递和能量损失的角度分析，核主泵电机中全部飞轮组件发生飞射时，在飞射物接触到周围压力边界时，将经历能力损失的两个阶段。第一阶段为非弹性冲击和传递至保持环的动量，如果塑性压缩以及剪切应变所消耗能量足以抵消飞轮的动能的损失，外壳就不会产生剪切变形，然后进入包含外壳塑性拉伸变形的第二阶段。对于外壳来说，其塑性拉伸变形的能量损耗必须抵消飞轮的残余动能。

(2)通过实例计算，三代核主泵电机在125%额定转速工况下，整个飞轮组件的飞射，其能量不足以穿透压力边界，不会对压力边界以外的人或物体产生安全威胁。

(3)该项理论的应用与推广，对今后的核反应堆冷却剂泵电机飞轮的破裂分析以及对整个反应堆系统安全稳定性分析，存在指导意义。

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Analysis on Impact Damage of Pressure Boundary Caused by Whole Flying Flywheel of The Third Generation Reactor Coolant Pump

Gu Fengling，Zhang Guibin，Wang Chao，and Zhang Jinbao

(HarbinElectricPowerEquipmentCompanyLimited，Harbin150066,China)

This paper introduces the role of the third generation reactor coolant pump motor flywheel in the reactor system, and emphatically expounds importance of heavy metal flywheel ( the safety-related part) in operation and safe shutdown of whole system. Combined with physical theory of energy transfer and energy loss, energy loss process and influence of the whole flying flywheel on the surrounding pressure boundary are deduced based on fracturing and hitting analysis example of reactor coolant pump motor flywheel. Compared with allowable values in design specification of reactor coolant pump, the margin of safety is calculated. Derivation and application of this theory has practical significance for fracture analysis of reactor coolant pump motor flywheel.

The third generation reactor coolant pump；flywheel；fracture；energy loss

大型先进压水堆核电站重大专项(2010ZX06001-13)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.09

TM303

A

1008-7281(2016)04-0027-004

谷凤玲女1983年生；毕业于哈尔滨理工大学电机专业，现从事AP1000主泵电机的技转和自主设计等工作.

2015-05-13