核電廠堆芯支承下板熱處理工藝分析范文

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摘要：

堆芯支承下板起到支承燃料組件的作用，其表面不平度對燃料組件安全運行至關重要。工程中堆芯支承下板局部熱處理后發(fā)生了不平度超差問題，因此亟需開展熱處理工藝優(yōu)化設計，避免再次發(fā)生類似問題。通過建立堆芯支承下板與吊籃的熱處理數(shù)值模型，獲得熱處理后的表面不平度結果，并進一步開展了堆芯支承下板熱處理工藝優(yōu)化設計，為后續(xù)產(chǎn)品的熱處理工藝制定提供了指導。

關鍵詞：

堆內(nèi)構件；堆芯支承下板；不平度；熱處理工藝優(yōu)化

0引言

堆內(nèi)構件是核反應堆內(nèi)部的重要組成部分，對反應堆功能實現(xiàn)和安全運行起著重要作用，其中堆芯支承下板和吊籃起到支承燃料組件的作用，屬于堆內(nèi)構件中的核心關鍵組件[1-2]。堆芯支承下板上布置有多個燃料組件定位銷，用于燃料組件的定位，以保證燃料組件的安裝精度，因此堆芯支承下板的表面不平度有很高的要求[3-4]。在第三代壓水核反應堆設計中，堆芯支承下板與吊籃是通過焊接組裝在一起（見圖1（a））。工程中堆芯支承下板與吊籃間的焊縫區(qū)域進行了局部焊后熱處理，以減小焊接后的殘余應力。但是局部熱處理后堆芯支承下板發(fā)生了表面不平度超差，影響了其上的燃料組件定位銷的位置精度。基于開發(fā)的熱處理數(shù)值仿真方法[4]，開展堆芯支承下板熱處理工藝優(yōu)化設計，最終獲得表面不平度較小的工藝，從而為后續(xù)型號的堆芯支承下板熱處理工藝制定提供指導。

1堆芯支承下板與吊籃熱處理模型

基于“熱-力”耦合理論，建立了堆芯支承下板與吊籃的熱處理數(shù)值模型。由于整個堆芯支承下板和吊籃結構的對稱性，選取1/8結構建立了數(shù)值模型（見圖1（b））。另外，由于堆芯支承下板的定位銷孔尺寸很小，對整個分析的影響可以忽略，因此數(shù)值模型中省略了燃料組件的定位銷孔。數(shù)值模型中，在加熱裝置部分施加熱處理溫度曲線。為了模擬整個熱處理過程中的空氣對流效應，在除加熱帶包裹部分和模型對稱面外的其余部分都施加空氣自然對流系數(shù)。由于模型的對稱性，在對稱邊界上施加結構對稱邊界條件和絕熱邊界條件；由于吊籃上部通過十字定位鍵定位，所以在吊籃上部進行了全約束[4]。

2堆芯支承下板熱處理工藝優(yōu)化設計

2.1加熱面積對不平度的影響

基于上述經(jīng)過驗證的堆芯支承下板熱處理數(shù)值模型，研究了不同熱處理加熱面積對其變形的影響。分別研究了4種面積的熱處理加熱方式，即：最外側四周加熱、表面四分之一加熱、表面二分之一加熱和表面全部加熱。表1匯總了不同加熱面積下的堆芯支承下板最終不平度數(shù)據(jù)。從表1可以看出，隨著堆芯支承下板加熱面積的增大，由熱處理引起的不平度迅速減小，整體熱處理引起的不平度最小。這是因為隨著加熱面積增大，整體堆芯支承下板的溫度場分布較均勻，不均勻的熱脹冷縮減少。

2.2加熱面積對殘余應力和應變的影響

圖2顯示了局部熱處理和整體熱處理后的堆芯支承下板的殘余應力。從圖2（a）可以看出，整體熱處理后的堆芯支承下板殘余應力較小，且主要集中在應力槽附近，最大值為89.3MPa。而局部熱處理后的堆芯支承下板殘余應力較大，較大值集中在堆芯支承下板外部邊緣和人孔附近的流水孔區(qū)域，最大值為211.395MPa（圖2（b））。這主要是因為局部熱處理過程中的堆芯支承下板的溫度場分布很不均勻，造成堆芯支承下板產(chǎn)生不均勻的熱脹冷縮，從而導致了較大的殘余應力。而整體熱處理過程中，堆芯支承下板的熱脹和冷縮變形都比較均勻和協(xié)調(diào)，因此堆芯支承下板的殘余應力較小。圖3顯示了整體熱處理和局部熱處理后的堆芯支承下板的殘余應變云圖。從圖3（a）可以看出，整體熱處理后的堆芯支承下板殘余應變很小，且主要集中在應力槽附近，最大值為0.28%。而局部熱處理后的殘余應變較大，最大值為2%，約為整體熱處理的7倍。局部熱處理后除了應力槽附近區(qū)域，在靠近外側的流水孔內(nèi)也有較大的殘余應變（圖3（b）），這些殘余應變最終引起了堆芯支承下板發(fā)生徑向收縮和平面度超差。

3結論

根據(jù)建立的熱處理數(shù)值模型，開展了堆芯支承下板熱處理工藝優(yōu)化設計。通過開展局部熱處理、四分之一面積熱處理、二分之一面積熱處理和整體熱處理4種不同的熱處理工藝研究，獲得了不同加熱面積對堆芯支承下板不平度的影響規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn)隨著熱處理面積的增大，堆芯支承下板的不平度逐漸減小。同時，堆芯支承下板的殘余應力和應變也隨著加熱面積的增大而減小。因此，后續(xù)項目中建議堆芯支承下板采用整體熱處理工藝。

參考文獻：

［1］孫漢虹.AP1000第三代核電技術［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］趙家鎮(zhèn)，張邵軍，楊文彬，等.用于核電站堆芯支承板的奧氏體不銹鋼Z3CN18-10（控氮）鍛件的制造和監(jiān)督［J］.熱加工工藝，2011，40（3）：85-88.

［3］王慶田，許斌，何大明，等.秦山核電廠二期擴建工程吊籃筒體焊接變形的分析及其控制［J］.核動力工程，2010，31（6）：1-4，9.

［4］廖家麒，劉冬安，林紹萱，等.核電廠堆芯支承下板與吊籃熱處理變形數(shù)值分析［J］.機械研究與應用，2013（3）：23-26.

作者:劉冬安 丁宗華 林紹萱 單位:上海核工程研究設計院