蒸汽发生器高水位堵板设计优化分析*

王 麟，冯栋彦

(1.中核检修有限公司，山东 青岛 266404；2.南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001)

0 引 言

蒸汽发生器是汽轮机所需蒸汽的换热设备，对蒸汽发生器的检修工作是核电站大修中关键的一环[1-3]。大修期间，需要通过一次侧高水位堵板对蒸汽发生器主管道进行隔离，以保证核电站高水位时可同时进行蒸汽发生器内的其他检修工作，节省大修时间。目前核电站蒸汽发生器一次侧高水位堵板的安装和拆除需要维修人员将可折叠的堵板带入并手动拧紧螺栓。

笔者根据自主设计的堵板拆装机器人及其末端夹具，对高水位堵板进行重新设计，设计内容包括堵板材质、外形结构、与机器手的配合方式等。通过研究现场实际使用情况，研制出与机器人配合良好的专用堵板，使之能够快速安装和拆卸，缩短作业时间，提高工作效率。并基于有限元分析方法，分析其在与密封胶囊贴合状态下，胶囊内气压达到要求气压后的堵板受力情况，以此验证此结构的可行性和合理性。

1 高水位堵板设计条件分析

1.1 蒸汽发生器空间约束

蒸汽发生器内部为一个球形腔室，中间一块隔板将其分为两个半球腔室，在两个腔室各开有人孔及主接管接口(堵口)。在检修维护时，高水位堵板需从人孔送入半球形腔室，再由机械臂或人工将其安装到主接管密封环座上，并拧紧堵板上的螺栓，以隔断从反应堆压力容器带来的冷却剂[4-5]，蒸汽发生器内部腔室三维模型如图1所示。

图1 蒸汽发生器内部腔室

此次设计的蒸汽发生器为M310堆型，人孔直径406 mm，堵口直径1 054 mm。因高水位堵板需要由小直径的人孔送入，然后安装至堵口，故只能设计为折叠式或分离式结构。在原堵板的基础上进行改造，初步改造分解成三块堵板，中板和两块侧板[6-7]。

1.2 机械臂负载约束

基于堵板拆装机器人，选用的机械臂型号为新松GCR4-1400。该款机器人额定负载为14 kg，因机械臂末端夹爪、3d相机、夹具等零部件总重9 kg，虽将高水位堵板拆分为三块板，但每一块板重量应低于5 kg，且在保证强度的情况下，尽可能减少堵板的重量。

1.3 高水位堵板螺栓分布

堵板螺栓布置方式可能会对密封组件的密封效果(主要是密封组件根部的橡胶密封环)产生影响，考虑密封组件密封效果及堵板受力结构优化，采用如图2所示螺栓分布。

图2 堵板螺栓分布

1.4 结构强度要求

蒸汽发生器一次侧高水位堵板通常由机械组件和密封组件组成，密封组件通常为橡胶件，是形成有效密封的核心部件，文中选用的密封组件外观如图3所示；机械组件主要为密封组件提供有效固定和支撑，也是需进行结构设计。密封组件是形成堵口密封的主要屏障，结构如图4所示。

图3 密封组件外观 图4 密封组件结构

堵板安装完成后，需通过控制柜对干囊、湿囊以及环面这三个回路进行充气，形成有效密封[8]。给干、湿两个气囊提供0.4～0.45 MPa的压力。环面主要起到检测是否形成有效密封的作用，需提供0.1～0.12 MPa压力，若正常，其压力稳定在设定压力下，且流量为零。因此，在密封组件工作状态时，高水位堵板机械结构不仅要满足贴合要求，还需保证一定的强度。且在高水位堵板工作时，水源压力约为1.56 bar。

2 结构设计分析

由前述分析，高水位堵板采用分离组合式的结构形式。为满足机械安装及冲击载荷的要求，拟采用铝合金6061板材作为主体结构材料。该材料具有加工性能极佳、抗腐蚀性良好、韧性高及加工后不变形等优良特点。

同时，设计新型堵板结构，改进组合形式，使两边侧板放置时不仅可以简易配合，还可以对中间板有一个压制的力，使堵板中间板更加稳定。

机械臂末端结构如图5所示，采用的夹爪为亚德客(AIRTAC)HFT20S手指气动夹具，并设计对应的夹爪手指。需对每块板均设有夹板以及对应的孔位以便与机器手夹持机构配合。

图5 机械臂末端工具

针对以上结构分析情况，对堵板具体结构进行设计，三维模型如图6所示，组合效果如图7所示。

图6 高水位堵板中间板及侧板 图7 高水位堵板组合示意图

3 强度分析

分析可知，堵板侧面与胶囊贴合处，受到胶囊工作状态膨胀挤压。主要为干、湿两个气囊的气压，大小为0.4～0.45 MPa。计算时取气压0.45 MPa，面积为三块堵板组合后的总侧边的贴合面积，计算如下：

S1=πd×l=0.88π×0.08=0.221 2 m2

故堵板侧边受挤压力为：

F1=4.5×105×0.221 2=99 540 N

堵板底部受力主要由密封组件和机械组件一起承受，其水源压力约为1.56 bar，高水位堵板下表面总面积为：

S2=πr2=π×0.442=0.608 2 m2

只考虑堵板受全部水源压力，此情况下堵板下表面受力为：

F2=1.56×105×0.608 2=94 879.2 N

基于SolidWorks对高水位堵板三维模型进行适当简化，将简化后的模型导入 Ansys Workbench 后，添加铝合金6061性能参数到材料库中[9]，其弹性模量为6.90E+10 N/m2，泊松比为0.33。

为了得到较好的计算结果，对堵板模型进行网格细化，细化网格后共有480 727个节点和98 177个元素，网格划分模型如图8所示。

图8 网格划分示意图 图9 堵板侧边载荷

根据实际安装后的高水位堵板状态，将堵板的螺栓所在面添加固定约束。并在堵板与密封组件接触面及堵板下表面分别施加对应压力，如图9、10所示。加载载荷后，进行有限元分析，位移计算如图11所示。

图10 堵板下表面载荷 图11 静载荷位移计算

由位移分布图可见，最大静载荷在中间板上下两边位置，最大为0.39 mm，并且沿周围方向逐渐减小，分析其位移情况主要受底部水源压力影响，模拟水源压力实际情况下，由密封组件与机械组件共同承受压力，故设计堵板结构符合。

4 结 语

为研究满足蒸汽发生器检修期间的高水位堵板，重点对机械臂末端、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，同时，高水位堵板工作状态下，根据密封组件膨胀及水源对高水位堵板机械组件的压力承载情况进行了强度校验。有限元分析计算结果表明，堵板结构强度满足在封堵情况下不会发生破坏的要求。文中设计的高水位堵板满足现场使用要求，并适合机器人进行操作，可有效减少人工堵板受到的辐照剂量，提高核电检修的智能化水平。