华龙一号核电机组堆内测量机械结构吊具优化设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 131 华龙一号核电机组堆内测量机械结构吊具优化设计 丁 磊 夏玉娟 王玉莹 夏玉风 中国核电工程有限公司，北京 100840 摘要：摘要：基于自主研发的三代压水堆核电技术华龙一号首堆工程调试和运行的反馈，对堆内测量机械结构吊具存在的提升筒操作力矩大、支耳调整困难两项主要问题进行分析研究，逐项提出优化改进技术措施，确定相应的优化设计工程化方案，为自主三代核电技术全新研制设备的成熟运行及在批量化工程建设项目中推广应用起到了很好的促进作用。关键词关键词：核电；堆内测量机械结构吊具；优化；提升筒；支耳 中图分类号：中图分类号：TL4 1 概述 华龙一号是我国自主研发的先进百万千瓦级三代压水堆核电技术，反应堆堆内构件吊具是反应堆安装调试、正常运行换料及大修时必需的专用工具1-2。华龙一号核电机组采用了先进的堆芯测量系统，将中子通量测量仪表通过位于压力容器上封头内的堆内测量机构结构和压力容器顶部贯穿件引出反应堆。为满足为从反应堆顶部引出的堆芯测量探测器组件和水位探测器提供连续的保护、支承与导向的要求，在上部堆内构件上设置了堆内测量机械结构。因此每次吊装堆内构件之前，还需先对堆内测量机械结构进行操作，将其提升并固定在指定高度，使探测器组件从堆芯拔出，再将堆内测量机械结构和上部堆内构件整体吊运至存放位存放，为换料或卸料做好准备3-4。因此，除了操作上部和下部堆内构件本体外，堆内构件吊具还需按上述要求完成对堆内测量机械结构的操作。全新研制的堆内测量机械结构吊具是堆内构件吊具的重要组成部分，主要用于操作堆内测量机械结构。华龙一号首堆工程已顺利投入运行和并网发电，根据首堆应用情况，堆内测量机械结构吊具总体上能满足电站的运行操作要求，局部结构还可优化改进。2 堆内测量的重要性（1）安全性保障 核电站的运行过程中存在一些难以预见的情况，可能导致事故的发生。堆内测量通过对核反应堆内部参数的实时监测，能够及时探测出异常情况。一旦出现异常，相关人员可以采取针对性的措施，防止事态进一步扩大。通过事故风险的早期预警，堆内测量有助于最大程度地减少事故带来的危害。核反应堆内部运行状态的变化可能会影响核电站的安全性。堆内测量通过对核反应堆内部温度、压力、流速等参数的实时监测，能够掌握核反应过程的变化情况。这些数据可以被用于分析和预测核反应堆的工作状态，有助于预防潜在的问题。通过变化监测与分析，堆内测量提供了保障核电站安全运行的基础信息。突发情况可能会对核电站的安全性造成严重威胁。堆内测量为核电站提供了应对突发情况的重要数据支持。在事故发生时，堆内测量能够即时监测核反应堆内部的参数变化，帮助运维人员迅速了解事态发展。这些数据有助于制定紧急应对策略，减少事故对人员和环境造成的影响。（2）运行稳定性优化 核电机组的运行稳定性与内部工作状态息息相关。堆内测量通过实时测量核反应堆内部的参数，如温度、压力、流速等，为运维人员提供了宝贵的数据支持。这些数据不仅帮助了解核反应堆的运行状况，还为分析运行过程中的波动和变化提供了基础。通过数据分析，运维人员可以调整运行策略，实现运行稳定性的优化。核反应堆的运行稳定性需要在不同的工况下得到保障。堆内测量数据为运维人员提供了对核反应堆内部过程的实时了解。在运行过程中，通过对测量数据的监测，可以实时掌握核反应堆的工作状态，及时进行过程调整和控制。这有助于避免运行过程中的异常波动，保障运行的平稳性和稳定性。运行中的故障可能会影响核电机组的稳定运行。堆内测量通过监测核反应堆内部参数，有助于及早发现异常情况。一旦发现异常，运维人员可以根据测量数据进行故障诊断，确定故障原因，中国科技期刊数据库 工业 A 132 然后采取相应的措施进行排除。通过及时的故障检测与排除，可以有效降低故障对运行稳定性造成的影响。运行稳定性的优化需要有针对性的策略制定。堆内测量数据为运维人员提供了核反应堆内部工作状态的全面信息。基于这些数据，可以制定运行优化策略，包括调整燃料组件配置、优化冷却系统、优化控制参数等。通过运行优化策略的实施，可以提升核电机组的运行稳定性和效率。（3）资源利用效率提升 核能作为清洁能源的重要来源，其资源利用效率对能源供应和环境保护都具有重要影响。堆内测量可以帮助优化核能的利用效率。通过准确测量核反应堆内部参数，可以调整核反应过程，提高燃料的利用率，减少核废料的产生。这有助于延长核燃料的使用寿命，减少资源消耗，更好地满足能源需求。（4）技术创新推动 堆内测量作为核能领域的关键技术之一，其发展也将推动整个核能领域的技术创新。在核能发展的过程中，不断优化和创新堆内测量技术，可以提高测量精度、降低成本，并有望衍生出更多与核能相关的技术创新。这些创新将有助于推动核能领域的发展，促进清洁能源的应用。3 堆内测量机械结构吊具首堆应用主要问题反馈（1）提升筒升降操作力矩偏大 提升筒上端设置有梯形螺纹驱动机构，操作人员手动旋转操作螺母，实现提升筒的升降操作，进而完成提升筒与堆内测量机械结构的啮合连接。提升筒内部同心布置有导向支撑柱，导向支撑柱支撑在提升筒上，操作过程中导向支撑柱与提升筒同步动作，二者的自重均通过提升筒上端的梯形螺纹支承。通过梯形螺纹驱动提升筒升降操作过程中，主要需克服提升筒和导向支撑柱自重在螺纹副上产生的摩擦阻力。单根提升筒和导向支撑柱自重约 600kg，计算操作力矩为 47.6Nm，通过设置合适长度的操作手柄，可以由单人完成操作。首堆现场组装调试和运行过程，提升筒上端梯形螺纹的实际操作可以由单人完成，但操作略微费劲，操作时间稍长后对操作人员的体力消耗会比较大。（2）支耳调整困难 导向支撑柱总共有 4 根，每根导向支撑柱内部设置有 2 个支耳，某些工况下堆内测量机械结构提升指定高度后，需要放置于支耳上悬挂支撑。为确保 4 根导向支撑柱支撑堆内测量机械结构的过程中受力均匀，以及确保堆内测量机械结构整体水平度，8 个支耳的支撑面接触情况及整体水平度要求较高，需在核电现场与堆内构件一起联合调试。现场调试过程，导向支撑柱下端螺纹头旋入上部堆内构件接口部件内固定后即可开始调整支耳。先调整每对支耳的周向方位，周向方位调整好后需对其进行固定，再通过导向支撑柱上的导向段调整支耳高度，导向支撑柱导向段为总长 3313mm 的管件，两端分别设置有左旋和右旋螺纹，旋转导向段可实现支耳升降，同时保证周向方位不旋转。现场按上述方式进行调整过程发现，由于导向段长度较大，整体刚性低，加之导向段管材的直线度、垂直度以及两端连接螺纹的加工偏差等原因，在与堆内构件配合调试过程中，支耳总体水平度调整具有一定随机性，4 组支耳均需进行多次调整测量，耗时较长，存在给核岛设备关键安装路径产生不利影响的风险。自主研发的华龙一号堆内测量机械结构吊具虽然能满足现场使用及堆内构件和堆内测量机械结构的操作要求，但由于其操作功能复杂，结构特殊，部分结构仍需开展一定的优化工作。4 优化改进措施 针对现场组装调试及运行反馈的问题，逐项采取优化改进措施。针对提升筒升降操作力矩偏大的问题，主要采取了减小提升筒自重和利用水池浮力平衡部分自重的优化措施；针对导向支撑柱内支耳调试困难的问题，主要采取了增设专用调整接头、缩短导向支撑柱上调整段的长度和在两端的连接螺纹处增加径向定位结构的优化措施。基于上述各个问题的优化措施，在确保接口满足要求的情况下，对原有设计结构进行局部改进。首先建立三维模型，确保功能及动作原理的可实现性，并核实原有设计空间能否满足优化改进设计要求，最后再固化改进后的堆内测量机械结构吊具施工图。（1）提升筒升降操作优化改进 提升筒升降过程中螺母组件操作力矩偏大的主要原因为提升筒和导向支撑柱的自重过大。考虑结构设中国科技期刊数据库 工业 A 133 计余量及现场运行环境，优化设计过程中提出了两项改进措施。优化措施 1：减小提升筒自重 分析对比每段提升筒的危险截面和主体截面，确定主体截面上多余的材料量，在确保满足承载能力的前提下，在每个提升筒主筒体上周向对称增加 3 个长圆孔，以减小提升筒自重。图 1 优化后的上部和下部提升筒组件 优化后，上部提升筒的重量从 196.7kg 降低到了164.5kg，下部提升筒的重量从 236.2kg 降低到了170kg，自重总共降低了 98.4kg，相比于最大重量降低了 16.4%。增设减重长圆孔后，提升筒的承载仍能满足设计要求。优化措施 2：增大导向支撑柱的排水量 堆内测量机械结构使用过程中是浸泡在水池内的，原设计中提升筒及导向支撑柱各个组件均无密闭空间，材料实体体积即为排水体积。为充分利用堆内测量机械结构吊具浸泡在水池内运行的特征，优化设计过程中通过增大导向支撑柱的排水体积以增大水对其的浮力。导向支撑柱以管型结构为主，其中导向段单件较长，规格为127x9.5mm，L=3313mm。导向段两端为螺纹连接，优化改进设计后，两端各增加一个过渡接头，并在螺纹连接接缝处增加密封焊缝，确保导向段内部空间不会进水，从而实现增大运行过程中水对导向支撑柱浮力的目标。经核算，增大的浮力能平衡掉的自重为 30.7kg，相比于最大重量降低约5.1%。图 2 导向支撑柱增加密封焊 综合上述两项优化措施，提升筒升降等效操作重量共降低了 129.1kg，相比于原设计最大载荷 600kg 降低了约 21.5%，操作力矩与提升重量成正比，因此操作力矩也降低约 21.5%。（2）导向支撑柱支耳调整相关结构优化 导向支撑柱为细长杆结构，柔性较大，调整困难主要原因为调整高度的导向段过长和导向支撑柱螺纹接头过多，导致调整操作不够便利，调整操作过程会引起导向支撑柱整体较大的晃动，导致支耳水平度测量困难。为解决该问题，从以下两个方面进行优化。优化措施 1：增设专用调整接头 支耳方位和水平度是通过旋转导向柱导向段来进行调整的，导向段长度为 3313mm，由于长度大，原材料和加工误差相对较大，且整体结构较柔，不利于支耳水平度测量。为减小长度尺寸带来的放大误差，改进了导向支撑柱的结构组成，增设新的调整接头，新增调整接头两端分别设置左旋和右旋螺纹，调整接头总长为 308mm（包含了两端的螺纹长度），支耳调整过程中导向段固定不动，导向段在工厂一次装配后可固定锁死，不再需要在现场进行调整。现场调整过程，先将每组支耳的周向方位调整好，再旋转新增的调整接头调整支耳高度，直至满足要求。优化措施 2：螺纹连接接头处增加径向定位结构 导向支撑柱支耳下方共有 5 处 M115x6 的连接螺纹，内外螺纹配合间隙及螺纹加工误差很大程度上增加了支耳调整的不确定性，为此在每对螺纹副上均增加了径向定位结构。连接接头螺纹端部设置精加工配合面，用于接头精确定位，大大降低了接头连接误差对支耳水平度的影响。优化前 优化后 图 3 增设调整接头且连接螺纹副增加径向定位 通过以上两条优化措施，减小了导向柱大长度尺寸导致的误差对支耳调整的不确定影响，较大程度上提高了支耳现场组装调试的便利性。5 优化改进效果 通过在提升筒上设置减重长圆孔，并充分利用设备运行期间水池内水所产生的浮力，使得螺母升降操作重量和操作力矩减小 21.5%，大大提高了设备操作的便利性和操作效率。中国科技期刊数据库 工业 A 134 通过将导向支撑柱内支耳调整段长度减小约 90%，缩小了高度上的误差放大作用，一方面有利于提高支耳整体水平度精度，另一方面支耳水平度调整只需通过旋转调整段即可实现，调整操作便利性大大提高。通过在连接螺纹处增加径向定位结构，消除了内外螺纹配合间隙对支耳水平度的不确定性影响。以上设计优化措施提高了设备整体操作便利性，一方面提高了工厂组装和调试效率，缩短了设备制造工期；另一方面提高了现场施工效率，减少了现场施工工作量。因此，在设备采购和现场施工两个环节上均可显著节省工程总承包单位的项目投资，包括工厂和现场组装与调试的人力投入成本、设计人员向工厂及现场提供技术支持的人力和差旅成本等，经济效益明显。上述优化改进还有利于保障堆内测量机械结构关键操作环节的操作精度，一定程度上提高了堆内测量机械结构的操作安全性以及设备运行的可靠性。6 结论（1）通过在上部和下部提升筒上增设减重长圆孔、在导向支撑柱上增加密封焊以增大浮力两项优化改进措施，显著降低了提升筒升降操作的驱动力矩。（2）通过增设专用调整接头和在螺纹连接接头处增加径向定位结构，消除了导向支撑柱支耳调整困难的问题。（3）基于堆内测量机械结构吊具首堆运行反馈的优化改进，能在一定程度上节省工程投资成本，提高设备运行安全性和可靠性。参考文献 1王兵臣,刘国彪,等.核电厂堆内构件主吊具的结构分析与优化J.机械设计与制造工程,2019,48(3):6-10.2黄新龙,洪龙.核电换料检修M.成都:西南交通大学出版社,2013.3丁磊,夏玉娟,等.堆内测量机械结构吊具的研制J.产业与科技论坛,2018,17(12):81-82.4丁磊,夏玉娟,等.某核电机组新型堆内构件吊具试验方案设计J.建筑学研究前沿,2018,362.作者简介：作者简介：丁磊，男，汉族，湖北人，硕士研究生，高工，核电设备。