基于使用环境的防异物堵板设计及分析

蒋兴福

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430070）

0 引言

压水堆核电站中蒸汽发生器是核动力装置中连接一回路和二回路的枢纽，同时是核动力装置运行中故障较多的设备之一。因而，在蒸汽发生器一次侧进行周期性的在役检查、评估及预防性检修是整个核电系统安全、稳定运行的必备要求。

对于蒸汽发生器一次侧检修时，需将一次侧腔室内的水排空，即一次侧管道低水位时进行。在检修过程中，需使用防异物盲板对一次侧接管进行封堵，以防止在检修过程中异物落入主管道。目前国内防异物盲板存在安装时间长、设备过重、安装不便等问题。本文基于该特定的使用环境，设计了一种新结构形式的防异物堵板。

1 约束条件分析

1.1 操作空间

蒸汽发生器下封头为球形腔室，在腔室上开有人孔及主接管接口。在防异物堵板安装时需要从人孔送入球形腔室，操作人员在腔室内将其安装至主接管密封环座上。

如图1所示，下封头上的人孔直径为406 mm，主接管密封环座直径为1054 mm。防异物堵板的安装过程中，需要将其由小直径的人孔送入，然后安装至大直径的主接管密封环座上。因此，为满足这种使用环境要求，防异物堵板只能设计为压缩或者折叠式等可展开结构。

图1 蒸汽发生器下封头

1.2 结构强度

在下封头球形腔室上方为传热管管板，在进行传热管检修过程中，检修设备在管板上自动运行。在检修过程中检修设备存在坠落风险。

检修设备质量约为18 kg。当防异物堵板安装好后，检修设备在堵板正上方时距离防异物堵板中心约为1.2 m。因此，防异物堵板的结构强度应能抵抗18 kg物体从1.2 m正上方落下造成的冲击，而不发生破坏。因防异物堵板破坏意味着封堵失效。

1.3 其它要求

防异物堵板使用环境为核电高放射性控制区域，因此现场操作应尽量减少操作人员，且应满足快速安装的要求。

按照惯例，防异物堵板安装过程中在腔室外及腔室内各安排1名操作人员。因此单个防异物堵板部件应尽量轻，以便于手动操作。按现场工作经验，要求部件质量小于18 kg。

为保证尽量少的人员辐射剂量，尽量减少设备数量，连接方式应尽量简便，以减少安装时间。

2 结构设计分析

由前述分析，防异物堵板拟采用折叠的结构形式。为满足手动安装及承受冲击载荷的要求，拟采用铝合金2A12板材作为主体结构材料。该材料为高硬度硬铝，可用来制造高负荷零件。

如防异物堵板结构设计为单部件，根据人孔直径及主接管密封环座直径尺寸，单部件单折叠结构无法通过人孔。且预估单部件形式质量将大于18 kg。综合考虑部件数量，考虑将设备设计为2个部件组合安装形式，且每个部件采用单折叠形式。

按上述设想，将防异物堵板设计为图2所示的结构形式[1]。

图2 防异物堵板结构设计

防异物堵板主体包括外环板及内板。外环板及内板上安装有铰链，两者均可对称折叠。安装过程中，外环板与内板通过导向销固定安装，无其它螺纹等复杂连接件[2]。

同时防异物堵板还包括把手及定位块等附属零部件。经计算，外环板质量为11.6 kg，内板质量为7.1 kg。单个部件质量均小于18 kg，满足现场手动操作对于设备质量的要求。

3 安装步骤规划

根据所设计堵板结构形式，实际操作过程为：

1）腔室外操作人员首先将外环板折叠，将其通过一定轨迹传递给腔室内人员。腔室内操作人员将外环板展开，并安装至主接管密封环座上。外环板折叠后经过人孔的移动过程如图3所示。

图3 外环板安装

2）外环板安装完成后，腔室外操作人员将内板折叠，将其传递给腔室内操作人员。腔室内操作人员将内板展开安装在外环板上。内板折叠后经过人孔的移动过程如图4所示。

图4 内板安装

4 强度分析

冲击载荷是在很短的时间内（作用时间小于受力机构的基波自由振动周期的一半）以很大的速度作用在构件上的载荷。其应力与变形量的计算较复杂。计算时一般按照机械能守恒定律进行。

采用该方法进行计算时，以如下假设为前提：

1）冲击物认定为刚体，忽略冲击过程中的变形。在冲击过程中，冲击物与被冲击物一起运动，不发生回弹。

2）忽略被冲击物的质量，认为冲击产生的应力和变形在瞬间遍及被冲击物；并假设被冲击物仍处在弹性范围内。

3）假设冲击过程中没有其他形式的能量转换，满足机械能守恒定律。

最大冲击载荷理论计算模型如图5所示[3]。

图5 冲击载荷计算

冲击物机械势能为

式中：E为冲击物机械势能，J；P为冲击物重力，N；h为冲击物下落高度，m；Δd为在冲击载荷P下产生的冲击位移，mm。

冲击过程发生后，被冲击物的应变能为

式中，k为弹性系数。

按能量守恒得

Δs为载荷P作用下产生的静载荷位移，将P=kΔs代入上式得冲击位移为

最大冲击载荷为

在水室内检修设备下落非与堵板垂直接触，主接管轴线与水平方向夹角为50°。因此静载荷计算为

式中，m为检修设备质量，如前所述为18 kg。

考虑计算经济性，在三维软件中对模型进行适当简化，删除附属部件结构后，将模型导入ANSYS中计算静载荷位移[4]。根据实际安装后的防异物堵板状态，在周围设置固定约束，在安装板中间位置加载静载荷。有限元分析计算如图6所示[5]。

图6 静位移计算

经计算得静载荷位移Δs=0.14 mm，最大位移发生在中心处。

将静载荷位移代入前述公式后计算可得最大冲击载荷Fd=18206.96 N，约为静载荷的132倍。采用前面相同的计算模型，将最大冲击载荷加载在相同位置，进行有限元分析计算，如图7所示。

图7 冲击载荷下的应力计算

由应力分布图可见，最大静载荷在内板中心位置，并且沿径向方向逐渐减小。在铰链安装位等局部结构特征位置时，出现局部应力增加的情况。在内板与外环板过渡安装位置，即载荷传递位置处应力较大，外环板向外围径向方向逐渐减小，在到达与主接管密封环座接触的位置，应力又局部增大后减小。防异物堵板由中心位置至边缘在径向方向上的应力分布如图8所示。

图8 径向应力分布图

对于计算所得应力，去除局部应力集中点干扰。中心位置最大应力值约140 MPa，在铰链安装的开孔位置局部应力达180 MPa。所选铝合金材料强度σb≥425 MPa。因此，在冲击载荷下，防异物堵板不会发生破坏，导致封堵失效。

5 操作试验

按设计方案制造防异物堵板样件如图9所示。

图9 防异物堵板样件

按现场实际情况，安排2名操作人员在蒸汽发生器下封头球形腔室模型上按前述安装步骤进行模拟安装操作，过程如图10～图11所示。

图10 外环板安装

图11 内板安装

防异物堵板样件可按前述安装步骤规划顺利完成安装。堵板质量在人员手动安装承受范围内，未出现其它异常。

6 结语

为研究满足蒸汽发生器下封头球形腔室内使用要求的防异物堵板，重点对环境尺寸、结构强度要求等进行了详细分析。在此基础上，进行了结构形式设计，并规划了防异物堵板在腔室内的安装过程。同时，根据现场可能出现的设备坠落冲击，进行了强度校验。有限元分析计算结果表明，堵板结构强度满足在设备冲击情况下不会发生破坏。样件完成后，在蒸汽发生器模型上进行了模拟安装演练，试验结果表明，该堵板结构形式可满足特定的蒸汽发生器使用环境的安装要求。