反應(yīng)堆壓力容器
關(guān)注創(chuàng)建者：原來我也是損友 創(chuàng)建時(shí)間：2016-12-16
反應(yīng)堆壓力容器的實(shí)例教程
7月4日，在江蘇核電有限公司、中國(guó)核電工程有限公司、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院等多家單位的見證下，由核動(dòng)力院設(shè)計(jì)、采購的田灣5號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器在中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司完成裝船發(fā)運(yùn)。
田灣核電，自1號(hào)機(jī)組2007年5月17日正式投入商業(yè)運(yùn)行以來，左手商運(yùn)，右手在建，科學(xué)管理，高效運(yùn)營(yíng)，持續(xù)推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和我國(guó)核電事業(yè)安全高效發(fā)展，如今喜提5號(hào)機(jī)組壓力容器，為我國(guó)清潔能源領(lǐng)域做出更大貢獻(xiàn)，在此核動(dòng)力院為田灣核電送上誠(chéng)摯祝福！
田灣核電站擴(kuò)建工程于2009年8月26日簽訂反應(yīng)堆壓力容器設(shè)備采購合同以來，歷經(jīng)長(zhǎng)達(dá)4年的暫停。田灣核電站擴(kuò)建工程于2015年8月25日重新全面啟動(dòng)，開啟了反應(yīng)堆壓力容器設(shè)備制造工作。通過近三年的努力，2018年5月25日反應(yīng)堆壓力容器的水壓試驗(yàn)順利完成，2018年7月3日反應(yīng)堆壓力容器的順利通過出廠驗(yàn)收。
作為首個(gè)引入核島的大型主設(shè)備，反應(yīng)堆壓力容器設(shè)備制造周期很長(zhǎng)，設(shè)備交付壓力非常大。為滿足田灣核電站擴(kuò)建工程5號(hào)機(jī)組工程建設(shè)快速推進(jìn)的需要，核動(dòng)力院全面協(xié)調(diào)江蘇核電有限公司、中國(guó)核電工程有限公司和中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司共同努力，打造了一個(gè)不怕困難、艱苦奮斗、敢打硬仗、攻堅(jiān)克難的團(tuán)隊(duì)，通過風(fēng)險(xiǎn)管控、靠前駐廠管理、高層協(xié)調(diào)等管理手段，在各方緊密配合、精誠(chéng)合作下，設(shè)備制造質(zhì)量和制造進(jìn)度均得到了有效保證，實(shí)現(xiàn)了田灣5號(hào)反應(yīng)堆壓力容器設(shè)備的順利驗(yàn)收、發(fā)運(yùn)，有力保障了田灣5號(hào)工程進(jìn)展需求。
田灣5、6號(hào)機(jī)組作為中核集團(tuán)福島事件前就已啟動(dòng)建設(shè)的二代改進(jìn)型核電機(jī)組的最后一個(gè)項(xiàng)目，在福島事件后，為滿足核電安全的更高要求，引入了大量新的設(shè)計(jì)思想，增加了大量新的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了大量的改進(jìn)設(shè)計(jì)，田灣5、6號(hào)機(jī)組比以往二代改進(jìn)型核電機(jī)組具有更高的設(shè)計(jì)安全性和可靠性。
展開 核電站壓力容器中殼體用鋼要求較高的是核反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆壓力容器一般由鋼鍛件焊接而成，鍛件厚度通常在200mm以上，由于長(zhǎng)期在高溫高壓下工作，并承受中子和γ射線輻照，因此對(duì)核反應(yīng)堆容器材料提出了很高的要求：應(yīng)具有良好的室溫綜合性能，即有較高的強(qiáng)度、韌性和防脆斷能力；沿截面應(yīng)有良好的性能均一性，特別對(duì)尺寸較大、較厚截面的鍛件更要求如此；具有良好的焊接性，再熱裂紋敏感性低；對(duì)中子輻照應(yīng)有較高的穩(wěn)定性。
其中的壓水堆核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋鍛件經(jīng)歷了從分體式到AP1000的整體式再到CAP1400的一體化的發(fā)展歷程。
圖7 核電鍛件發(fā)展歷程
圖8顯示了直徑3m的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鍛件從分段焊接發(fā)展為整體鍛造，以確保其心部FATT≤-20℃。
圖9是反應(yīng)堆壓力容器接管段鍛件從分體式到整體式再到半一體化式乃至終極目標(biāo)為一體化成形的技術(shù)進(jìn)步經(jīng)歷。到目前為止，國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀鍛件供應(yīng)商已研發(fā)了大量一體化鍛件。
模鍛化成形
大型鍛件極端制造的最高目標(biāo)除了均質(zhì)化制坯和一體化制造以外，少無切削的模鍛化成形也是一個(gè)非常重要的內(nèi)容。
已實(shí)現(xiàn)模鍛化成形的鍛件
河北宏潤(rùn)核裝備有限公司利用500MN壓機(jī)以模鍛方式制造出大型船用柴油機(jī)曲拐（圖10）和AP1000主泵泵殼（圖11）等鍛件，其中模鍛曲拐的材料利用率較彎鍛成形提高68%。
圖8 核電常規(guī)島超大型汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子
圖9 核反應(yīng)堆壓力容器接管段鍛件的發(fā)展經(jīng)歷
圖10 大型船用柴油機(jī)曲拐
圖11 AP1000主泵泵殼
待模鍛化成形的鍛件
中國(guó)一重發(fā)明的整體水室封頭仿形鍛造與國(guó)內(nèi)外其他鍛件供應(yīng)商的自由鍛造相比，材料利用率提高30%以上，但與成品鍛件相比仍有優(yōu)化空間（圖12）。為了實(shí)現(xiàn)超大異形鍛件模鍛化，對(duì)CAP1400反應(yīng)堆壓力容器一體化接管段及蒸汽發(fā)生器水室封頭的模鍛成形方案進(jìn)行了研究，其數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖13和圖14所示。
圖12 CAP1400蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件從自由鍛造到仿形鍛造
圖13 CAP1400 RPV一體化接管段模鍛數(shù)值模擬
圖14 CAP1400 SG水室封頭模鍛數(shù)值模擬
中國(guó)一重?cái)M對(duì)支承輥和轉(zhuǎn)子等大型、超大型軸類鍛件的輥、軸身進(jìn)行擠壓，對(duì)輥、軸頸進(jìn)行模鍛。
展開 案例來源：余偉煒和高炳軍老師的著作《ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用》是ANSYS經(jīng)典界面在壓力容器行業(yè)應(yīng)用的經(jīng)典教材。近些年，Workbench界面已經(jīng)成為主流，ANSYS經(jīng)典界面式微，可以說已經(jīng)過時(shí)。但該書的行業(yè)知識(shí)并不過時(shí)，因此采用Workbench界面復(fù)現(xiàn)書中的案例，頗具價(jià)值！
問題描述
某加氫精制反應(yīng)器，設(shè)計(jì)壓力P=8.8MPa．設(shè)計(jì)溫度T=347℃。
材料為：2 Cr-1Mo，彈性模量E=2.0x105MPa，泊松比μ=0.3。
設(shè)計(jì)溫度下材料設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度：裙座鍛造結(jié)構(gòu)Sm=115.5MPa，筒體及封頭主體（板材）Sm1=153.7MPa。
設(shè)備總重mg=270000kg。
h型鍛件尺寸為：筒體內(nèi)半徑R1=1406.5mm，璧厚t1=87mm：球封頭內(nèi)半徑R2=1416.5mm，壁厚t2=52mm；裙座壁厚t3=22mm；過渡圓角半徑r=20mm；鍛造高度H=568mm。試分析該加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)的機(jī)械應(yīng)力。
展開 下圖展示了熔融物堆內(nèi)滯留(In-Vessel Retention, IVR) 策略下反應(yīng)堆壓力容器熔毀的可能性隨著措施操作延遲量的累計(jì)概率分布。
下圖是熔融物堆外滯留(Ex-Vessel Retention, EVR)策略下安全殼被熔融物熔穿的距離隨操作延遲量的分布。
結(jié)果和展望
Salome YACS 和Salome OpenTURNS 的耦合計(jì)算極大地方便了大規(guī)模不確定性分析的計(jì)算和研究。其所包含的簡(jiǎn)潔清晰的GUI能夠讓用戶十分快捷地對(duì)不確定性分析計(jì)算進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試和執(zhí)行。同時(shí)Salome YACS所包含的并行計(jì)算管理能夠優(yōu)化大規(guī)模并行機(jī)上的運(yùn)算，很大程度地提升了計(jì)算效率。最后Salome所提供的后處理方式可以直接將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化輸出，因此用戶在計(jì)算結(jié)果后處理中不需要費(fèi)過多的心思既能得出想要的結(jié)果展示形式。
在接下來的版本中YACS和OpenTURNS的耦合計(jì)算將得到進(jìn)一步優(yōu)化，使其能夠?qū)?chǎng)參數(shù)的變化考慮到不確定性分析當(dāng)中，同時(shí)也會(huì)優(yōu)化后處理部分，使其可以通過耦合Salome的ParaVis模塊進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和分析。
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反應(yīng)堆壓力容器的最新內(nèi)容
01 研究背景
壓水反應(yīng)堆是美國(guó)貝蒂斯原子能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)成功的一種輕水核反應(yīng)堆，全球核電站的大多數(shù)都是壓水堆核電站。在壓水堆中，水作為主冷卻劑在高壓下被泵入反應(yīng)堆堆芯，并在其中被原子裂變釋放的能量加熱。加熱的高壓水隨后流向蒸汽發(fā)生器，將其熱能轉(zhuǎn)移到產(chǎn)生蒸汽的二次系統(tǒng)的低壓水中，然后蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。
在壓水堆中，冷卻劑質(zhì)量流量取決于蒸汽發(fā)生器的熱功率、熱端和冷端的溫度以及反應(yīng)堆冷卻泵吸收的電能
一類是理論假設(shè)的缺陷，例如反應(yīng)堆壓力容器的缺陷分析（圖1）：
圖1 假設(shè)裂紋
還有一類就是現(xiàn)實(shí)中真正存在的缺陷（圖2），例如：轉(zhuǎn)子中存在的缺陷，材料收縮時(shí)產(chǎn)生的裂紋以及渦輪葉片中存在的缺陷等等。
案例來源：余偉煒和高炳軍老師的著作《ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用》是ANSYS經(jīng)典界面在壓力容器行業(yè)應(yīng)用的經(jīng)典教材。近些年，Workbench界面已經(jīng)成為主流，ANSYS經(jīng)典界面式微，可以說已經(jīng)過時(shí)。但該書的行業(yè)知識(shí)并不過時(shí)，因此采用Workbench界面復(fù)現(xiàn)書中的案例，頗具價(jià)值！
問題描述
某加氫精制反應(yīng)器，設(shè)計(jì)壓力P=8.8MPa．設(shè)計(jì)溫度T=347
例如，在這次大修中，部署了一個(gè)專門的攝像系統(tǒng)，用于檢查1號(hào)機(jī)組的反應(yīng)堆壓力容器。“容器樹項(xiàng)目是一個(gè)與材料相關(guān)的項(xiàng)目。
當(dāng)我們?cè)谥骰芈穳毫y(cè)試期間從堆芯中取出所有燃料時(shí)，我們使用攝像機(jī)操縱器檢查容器底部，以查看是否有任何污染或異物。這是自核電站啟動(dòng)以來，我們第一次能夠檢查反應(yīng)堆容器的整個(gè)底部。”
該反應(yīng)堆由德國(guó)Babcock&Wilcox公司設(shè)計(jì)，是第一臺(tái)集成式壓水堆，其螺旋線圈蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)、穩(wěn)壓器和反應(yīng)堆堆芯均位于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)。
兩個(gè)外部反應(yīng)堆冷卻劑泵使冷卻劑在整個(gè)模塊中循環(huán)，設(shè)計(jì)中還包括單獨(dú)的屏蔽乏燃料貯存。
這種被稱為“整合核蒸汽發(fā)生器”的設(shè)計(jì)理念是Babcock&Wilcox公司在1962年根據(jù)AEC合同開發(fā)的。
半一體化布置：相比分散布置方式，半一體化布置反應(yīng)堆取消了閥門，將蒸汽發(fā)生器、主泵與核反應(yīng)堆壓力容器以超短管連接，形成半一體化布置核反應(yīng)堆。
一體化布置：將堆芯、蒸汽發(fā)生器、冷卻泵、增壓器等所有系統(tǒng)的初級(jí)組件都裝在壓水殼內(nèi)。這種布置方式完全取消了冷卻劑系統(tǒng)中的管道連接。
當(dāng)安注系統(tǒng)啟動(dòng)，與反應(yīng)堆壓力容器壁面溫度相差很大的安注冷水瞬間流過高溫容器內(nèi)壁面時(shí)，將導(dǎo)致容器壁溫度梯度劇烈增加即羽流（Plum：當(dāng)冷的安注水流進(jìn)RPV下降環(huán)腔時(shí)，會(huì)在熱的RPV內(nèi)壁面沿著流動(dòng)方向自上而下產(chǎn)生一條狹長(zhǎng)的低溫區(qū)）效應(yīng)，引發(fā)容器壁內(nèi)產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，有可能導(dǎo)致安注接管與 RPV筒體連接區(qū)形成裂紋缺陷，進(jìn)而引發(fā)安全事故。
下圖展示了熔融物堆內(nèi)滯留(In-Vessel Retention, IVR) 策略下反應(yīng)堆壓力容器熔毀的可能性隨著措施操作延遲量的累計(jì)概率分布。
封頭在工作過程中受到高溫、高壓，特殊服役條件對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器所用材料也提出了更加嚴(yán)格的要求：⑴在室溫和工作溫度下具有合適的強(qiáng)度和高韌性及盡可能低的脆性轉(zhuǎn)變溫度；⑵良好的可焊接性和冷熱加工性；⑶在工作溫度下具有最大的組織穩(wěn)定性；⑷有足夠的淬透性和厚斷面組織性能均勻性。
常見的封頭有橢球封頭和球封頭兩種。
核反應(yīng)堆壓力容器一般由鋼鍛件焊接而成，鍛件厚度通常在200mm以上，由于長(zhǎng)期在高溫高壓下工作，并承受中子和γ射線輻照，因此對(duì)核反應(yīng)堆容器材料提出了很高的要求：應(yīng)具有良好的室溫綜合性能，即有較高的強(qiáng)度、韌性和防脆斷能力；沿截面應(yīng)有良好的性能均一性，特別對(duì)尺寸較大、較厚截面的鍛件更要求如此；具有良好的焊接性，再熱裂紋敏感性低；對(duì)中子輻照應(yīng)有較高的穩(wěn)定性。
