CAP1400堆內(nèi)構(gòu)件流致振動試驗(yàn)件設(shè)計(jì)和測點(diǎn)布置研究*

黃 磊，丁宗華，薛國宏

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

0 引言

反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件是反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)中的重要設(shè)備。其主要功能是支承堆芯，為堆芯和控制棒提供定位、支承、導(dǎo)向和保護(hù)。堆內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各關(guān)鍵零、部件的可靠設(shè)計(jì)是反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要前提。

CAP1400堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)遵照RG 1．20《預(yù)運(yùn)行和初始啟動試驗(yàn)期間堆內(nèi)構(gòu)件振動綜合評價(jià)大綱》的要求，對原型堆內(nèi)構(gòu)件“采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)分析加上補(bǔ)充分析來確定其流體激勵力函數(shù)和反應(yīng)(位移、加速度和應(yīng)力等)，并加以驗(yàn)證，驗(yàn)證方法如以往的試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)或比例模型試驗(yàn)，同時(shí)包括有關(guān)數(shù)據(jù)的不確定性。”因此CAP1400堆內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行流致振動模擬試驗(yàn)是非常必要的，該試驗(yàn)研究項(xiàng)目作為CAP1400六大試驗(yàn)課題之一，其對堆內(nèi)構(gòu)件流致振動情況的分析、研究與驗(yàn)證對于CAP1400的合理設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行有重要的意義。

堆內(nèi)構(gòu)件流致振動模擬試驗(yàn)試驗(yàn)件(以下簡稱:試驗(yàn)件)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括堆內(nèi)構(gòu)件、壓力容器、燃料組件模擬體及相關(guān)支承結(jié)構(gòu)，與實(shí)堆相比采用1/6的縮比模型進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

綜合考慮試驗(yàn)件制造工藝、傳感器安裝以及試驗(yàn)成本等影響因素，需對試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要且合理的簡化與優(yōu)化，這些簡化與優(yōu)化都是基于充分的理論論證與分析計(jì)算基礎(chǔ)上的，以準(zhǔn)確模擬實(shí)堆，不影響所測數(shù)據(jù)為目標(biāo)，確保試驗(yàn)件造得出，試驗(yàn)做得到，數(shù)據(jù)測得準(zhǔn)。

1 相似性準(zhǔn)則

堆內(nèi)構(gòu)件流致振動模擬試驗(yàn)在核動力院進(jìn)行，試驗(yàn)件由上海第一機(jī)床廠負(fù)責(zé)制造。綜合分析與考量試驗(yàn)需求、試驗(yàn)回路容積及試驗(yàn)件制造工藝性，確定采用1∶6的縮比模型。

比例模型測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)可基于相似關(guān)系換算到實(shí)堆。一般要求試驗(yàn)件與實(shí)堆滿足幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似。

由于實(shí)堆內(nèi)冷卻劑進(jìn)出口溫差小，壓力高，密度變化小，可當(dāng)作穩(wěn)定不可壓縮流動。在試驗(yàn)條件與實(shí)堆的流體密度、流體流速相同的條件下，相似準(zhǔn)則要求試驗(yàn)和實(shí)堆流動的雷諾數(shù)(R e)相等，但模型試驗(yàn)要做到雷諾數(shù)相等是比較困難的。研究發(fā)現(xiàn)存在“自模區(qū)”，即當(dāng)流體雷諾數(shù)R e數(shù)進(jìn)入105～107自模區(qū)時(shí)，雷諾數(shù)R e的變化對流動阻力系數(shù)Eu沒有明顯的影響，因此應(yīng)保證堆內(nèi)構(gòu)件流致振動模擬試驗(yàn)在“自模區(qū)”條件下進(jìn)行。

堆內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的固體質(zhì)點(diǎn)振動位移很小，根據(jù)固體動力學(xué)方程可以得到以下相似關(guān)系:

(1)表征固體的彈性力和非定常運(yùn)動慣性力比值:

(2)表征固體非定常運(yùn)動慣性力和質(zhì)量力比值:

(3)表征固體彈性應(yīng)力和應(yīng)變比值:

(4)表征固體應(yīng)變與振幅比值:

固體和流體之間的邊界法向速度和法向應(yīng)力的連續(xù)條件，可得以下相似關(guān)系:

式中:f為頻率;l為幾何尺寸;V為流體速度;ρ為金屬密度;p為流體脈動壓力;E為金屬彈性模量;u為振幅;ε為應(yīng)變;σ為應(yīng)力。

因此，當(dāng)試驗(yàn)件與實(shí)堆材料相近(即材料的E、ρ相同)?？傻靡韵玛P(guān)系:

式中:m表示試驗(yàn)件，p表示實(shí)堆。

當(dāng)試驗(yàn)件與實(shí)堆尺寸比例為lm/lp=1/6時(shí)，實(shí)堆振動頻率為試驗(yàn)件頻率的1/6，實(shí)堆振幅為試驗(yàn)件振幅的6倍，實(shí)堆應(yīng)力與試驗(yàn)件一致。因此，可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)相似準(zhǔn)則，換算獲得實(shí)堆的流致振動情況。

2 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)件主要由上部堆內(nèi)構(gòu)件、下部堆內(nèi)構(gòu)件、燃料組件模擬體以及壓力容器等結(jié)構(gòu)組成，如圖1。

圖1 試驗(yàn)件模型

2．1 上部堆內(nèi)構(gòu)件

上部堆內(nèi)構(gòu)件主要包括導(dǎo)向筒組件、支承柱組件、上部支承板組件和堆芯上板，如圖2所示。

圖2 上部堆內(nèi)構(gòu)件模型

由于導(dǎo)向筒組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量眾多，因此對試驗(yàn)件進(jìn)行了必要的簡化設(shè)計(jì)。僅對布置了測點(diǎn)的壓力容器出口接管處的兩根導(dǎo)向筒進(jìn)行了較為嚴(yán)格的尺寸縮比設(shè)計(jì)，而其他的導(dǎo)向筒則在結(jié)構(gòu)上做了簡化，簡化后的導(dǎo)向筒仍要保證滿足剛度、質(zhì)量的相似關(guān)系。上部支承板與堆芯上板主要的結(jié)構(gòu)尺寸嚴(yán)格按縮比設(shè)計(jì)，并保證開孔的流通面積滿足相似關(guān)系。

2．2 下部堆內(nèi)構(gòu)件

下部堆內(nèi)構(gòu)件主要包括吊籃筒體組件、堆芯圍筒組件、防斷組件、均流板與輻照監(jiān)督管支架，如圖3。

圖3 下部堆內(nèi)構(gòu)件模型

吊籃筒體是研究的重點(diǎn)，嚴(yán)格按縮比設(shè)計(jì)，其中堆芯支承下板因需配合燃料組件模擬體的安裝，在保證總的流通面積滿足相似要求的基礎(chǔ)上，對流水孔的布置進(jìn)行了調(diào)整。

堆芯圍筒組件為整體焊接件，嚴(yán)格按縮比后的制造難度很大，焊接變形很難控制，因此在主要外形尺寸滿足縮比的條件下，對堆芯圍筒組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，在滿足制造工藝性的同時(shí)，保證試驗(yàn)件的質(zhì)量與剛度滿足相似關(guān)系。

試驗(yàn)件的防斷組件與輻照監(jiān)督管支架對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，滿足質(zhì)量與剛度的相似關(guān)系。

均流板為CAP1400的全新設(shè)計(jì)，是試驗(yàn)研究重點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)尺寸嚴(yán)格按縮比設(shè)計(jì)。由于試驗(yàn)中將對均流板與導(dǎo)流圍板等導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行替換，因此，對均流板的連接方式做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，便于試驗(yàn)中的拆裝。

2．3 燃料組件模擬體

燃料組件不是堆內(nèi)構(gòu)件流致振動的研究重點(diǎn)，且根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，不會對堆內(nèi)構(gòu)件的流致振動帶來較大影響，因此簡化設(shè)計(jì)為模擬體。模擬體由鋼與鉛兩種材料構(gòu)成，以保證總體質(zhì)量與流通面積滿足相似關(guān)系。為便于安裝，設(shè)置燃料組件輔助定位板。如圖4。

圖4 燃料組件模擬體模型

2．4 壓力容器

壓力容器由頂蓋組件、進(jìn)口管、出口管、筒身段、底封頭等結(jié)構(gòu)組成，如圖5所示。

圖5 壓力容器模型

壓力容器的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸與壁厚嚴(yán)格按縮比進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到試驗(yàn)件的安裝以及試驗(yàn)中均流板等結(jié)構(gòu)的替換，底封頭與筒身段采用螺栓連接。底封頭與導(dǎo)流圍板的連接也采用了螺栓連接，以便于試驗(yàn)中的拆裝。此外，在壓力容器多處開設(shè)觀察窗，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)中的觀測及激光測量。

3 試驗(yàn)件測點(diǎn)布置

試驗(yàn)研究主要包含兩部分，一是測量試驗(yàn)件主要部件在空氣中和靜水中的固有頻率和振型，二是測量不同運(yùn)行工況下試驗(yàn)件主要部件的流致振動響應(yīng)，包括加速度、位移、應(yīng)變及脈動壓力。

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，試驗(yàn)件主要部件上的測點(diǎn)布置需要進(jìn)行合理地布置。以下對流致振動試驗(yàn)介紹測點(diǎn)的布置及相關(guān)論證。

3．1 上部堆內(nèi)構(gòu)件

對于上部堆內(nèi)構(gòu)件，流致振動模擬試驗(yàn)主要關(guān)注導(dǎo)向筒、支承柱和上部支承板組件的振動響應(yīng)及脈動壓力值，尤其是下部導(dǎo)向筒的流致振動響應(yīng)。需在出口接管中心位置測量導(dǎo)向筒上的脈動壓力，獲得下部導(dǎo)向筒結(jié)構(gòu)的流致振動載荷，同時(shí)通過位移及應(yīng)變測量導(dǎo)向筒的流致振動響應(yīng)。由于流致振動下結(jié)構(gòu)應(yīng)變或位移響應(yīng)較小，因此應(yīng)變片需要安置在響應(yīng)值較大的位置。支承柱及下部導(dǎo)向筒流致振動下的響應(yīng)主要是1階梁型振動，最大應(yīng)變在兩端根部位置，最大位移及脈動壓力在中間位置。上部支承板的流致振動響應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)相對較小，因此僅需在法蘭根部位置布置傳感器。

3．2 吊籃筒體及堆芯圍筒組件

吊籃筒體與堆芯圍筒均有梁型和殼型模態(tài)，流致振動載荷下需要測量兩者間的水平相對位移以及吊籃組件整體擺動的位移，吊籃最大應(yīng)力值位于吊籃法蘭根部位置，需布置相應(yīng)數(shù)量的應(yīng)變片。另外，吊籃外壁面上的脈動壓力分布是研究吊籃流致振動載荷的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，需要充分布置脈動壓力測點(diǎn)，以用于載荷分析研究。

3．3 防斷組件

防斷組件位于流場復(fù)雜的下腔室，水流流速也較大，因此在關(guān)鍵測量位置需布置足夠的傳感器，保證數(shù)據(jù)的完整性。防斷組件及其支承柱流致振動下的響應(yīng)主要以整體擺動為主，與堆芯支承下板連接的支承柱法蘭下方的應(yīng)變值最大，而渦流抑制板和防斷底板則是響應(yīng)位移量最大，需布置相應(yīng)數(shù)量的應(yīng)變片及加速度傳感器。

3．4 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)采用了兩種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，分別是均流板和導(dǎo)流圍板。均流板的結(jié)構(gòu)剛度較大，流致振動下產(chǎn)生的應(yīng)變較小而脈動壓力較大。導(dǎo)流圍板位于下封頭凸緣上，處于下降環(huán)腔和下封頭的交界處，該處流場復(fù)雜且流速快，導(dǎo)流圍板與壓力容器連接處的根部位置上會有較大的流致振動，且結(jié)構(gòu)上會有較大的壓力脈動載荷。因此，在導(dǎo)流圍板結(jié)構(gòu)與壓力容器連接位置的根部布置相應(yīng)數(shù)量的應(yīng)變片，同時(shí)在迎流方向布置壓力傳感器。

3．5 壓力容器

壓力容器與試驗(yàn)回路相連，堆內(nèi)構(gòu)件流致振動一部分是由于壓力容器的振動而產(chǎn)生，因此需要了解壓力容器結(jié)構(gòu)的自身振動情況。試驗(yàn)時(shí)在壓力容器的關(guān)鍵位置上布置相應(yīng)數(shù)量的加速度傳感器。壓力容器上的力傳感器是為測量與徑向支承鍵的碰撞力。

4 結(jié)語

試驗(yàn)件設(shè)計(jì)與測點(diǎn)布置的原則是不影響所測重要數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。必要的簡化設(shè)計(jì)都是在保證制造與安裝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了充分的理論分析與計(jì)算論證。另外，試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)還設(shè)置了一些調(diào)整環(huán)節(jié)，如壓緊彈性環(huán)的變形量調(diào)節(jié)，徑向支承鍵的接觸情況調(diào)節(jié)，旁流流量的調(diào)節(jié)等，以通過一次試驗(yàn)，獲取更多珍貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)已經(jīng)開展的試驗(yàn)情況及所獲得的數(shù)據(jù)分析，證明了試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及測點(diǎn)布置的合理性，可用于反映和評估CAP1400堆內(nèi)構(gòu)件流致振動情況。作為六大試驗(yàn)課題之一，試驗(yàn)項(xiàng)目的成功進(jìn)行也為CAP1400的最終設(shè)計(jì)完成提供了有力的支撐。

該試驗(yàn)件也可為其他堆內(nèi)構(gòu)件流致振動模擬試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)提供參考。

［1］ U．S．Nuclear Regulatory Commission(NRC)Regulatory Guide 1．20，Rev．2［C］．Comprehensive Vibration Assessment Program for Reactor Internals during the Preoperational and Initial Startup Testing，1976．