蒸汽發生器支撐結構可靠性研究

鐘林秀 施永兵 蔣運友

上海核工程研究設計院 上海 200233

正文：

1.引言

在AP1000設計中，蒸汽發生器垂直支撐（以下簡稱SG垂直支撐）采用了單根立柱支撐，與我國二代加核電站的四根立柱組成的一套SG垂直支撐設計有較大差異，且AP1000的蒸汽發生器與反應堆冷卻劑泵的組合體的重量全部由此單根立柱承受[1][2]，整個SG垂直支撐承載要求大大提高。為了研究SG垂直支撐的可靠性，特別是支座三片不同厚度的支耳板的承壓穩定性及應力分配合理性，驗證在超過設計規定載荷2倍的D級載荷下，是否存在結構破壞和失穩。因此，有必要對AP1000的SG垂直支撐設計一套合理的試驗方案和試驗件，來對其結構設計進行驗證分析，進一步理解其設計理念，確保設計可靠性及擁有一定的安全裕度。

2.試驗方案設計

2.1 試驗要求

SG垂直支撐在運行工況下，為蒸汽發生器和反應堆冷卻劑泵提供支撐，承受沿支撐軸向的載荷，同時允許蒸汽發生器因反應堆冷卻劑回路熱脹而產生的緩慢移動和微小位移。為合理考察SG垂直支撐在運行工況下的結構可靠性，本試驗應能：1）模擬SG垂直支撐承受沿支撐軸向的載荷；2）模擬反應堆壽期內因熱脹造成的垂直支撐擺動；3）模擬SG垂直支撐由于安裝誤差造成的支座支耳與支撐桿軸線間的偏角；4）模擬影響SG垂直支撐性能的重要環境條件，包括高溫、設計基準事故（以下簡稱DBA）化學環境。

2.2 試驗件設計

按照AP1000的SG垂直支撐設計方案分別設計制造1：4及1：5的試驗件，各兩個，試驗件分別命名為A4、A5。要求：1） 試驗件的上、下支座應與SG垂直支撐一樣，均采用三片支耳形式，試驗件立柱兩端的叉形連接件采用兩片支耳結構。2） 試驗件的上、下支座與叉形連接件采用銷軸連接。連接高溫端的為上支座，連接常溫端的為下支座。3） 上述部位按比例要求設計，其它部位按強度、剛度和與試驗裝置連接要求設計。如圖2.2所示。4） 試驗件的支座、叉形連接件、銷軸材料與AP1000一致，見表2.2。

圖2.2 A4A5試驗件

表2.2 A4A5試驗件零件材料表

2.3 試驗臺架設計

為實現2.1節的功能要求，蒸汽發生器支撐結構可靠性試驗臺架由如下零部件組成：軸向恒定載荷輸出裝置——GL-1250J型試驗臺架（1）、鋼梁（2）、徑向液壓缸支座（3）、兩個蒸汽發生器垂直支撐試驗件（4）、臺架銷頭（5）、偏裝限位裝置——可調拉撐桿（6）、中間聯結裝置（7）、加熱裝置（8）、擺動驅動裝置——徑向液壓缸（9）。詳見圖2.3.1。

蒸汽發生器支撐結構可靠性試驗臺架工作方案為：1） 利用中間聯結裝置將兩個試驗件串聯。兩個串聯的試驗件一端與臺架固定，作為固定端；另一端與載荷輸出裝置固定，作為拉、壓載荷的加載端。2） 中間聯結裝置的豎向側面連接偏裝限位裝置，模擬垂直支撐的偏裝情況，如圖2.3.2所示。3） 中間聯結裝置橫向側面裝配擺動驅動裝置，控制擺動位移，模擬垂直支撐受熱脹影響的循環擺動。如圖2.3.3所示。4） 中間聯結裝置上裝有加熱裝置和溫度測量裝置，模擬垂直支撐在使用工況下的溫度情況。

圖2.3.1 試驗臺架布置示意圖

圖2.3.2 試驗件偏裝示意圖（立面圖）

圖2.3.3 試驗件橫向擺動示意圖（平面圖）

2.4 試驗方案設計

蒸汽發生器支撐結構可靠性試驗方案按表2.4執行。

表2.4 試驗實施細則

應變片粘貼在試驗件支座上，參考支座有限元分析的應力集中區進行設置，如圖2.4.2所示。

圖2.4.1 A4A5應變片粘貼示意圖

3 蒸汽發生器支撐結構可靠性試驗與結果

3.1 拉應力、壓應力及擺動試驗

按2.4節試驗方案的順序依次對A4、A5試驗件進行拉試驗、壓試驗和擺動試驗，查看試驗件的磨損和變形情況，結果如下。

圖3.1.1 試驗件安裝圖

1） 根據應變片測量數據看出，在拉載荷試驗時，應力主要集中在銷軸孔附近均小于屈服應力Sy，平均應力小于0.45Sy，側面三個支耳板的應力相近且遠小于Sy，驗證了支座的穩定性。在壓載荷試驗時，可明顯看出位置7、8、9、10（靠近底座處）的應力比位置1、2、3、4處大，這與實際情況中銷軸的擠壓方向一致。且厚度比中間支耳板薄一半的側部支耳板未出現局部變形和屈曲現象。

2） 在擺動試驗后拆下A4、A5試驗件，觀察到銷軸可見明顯壓痕，A4銷軸壓痕的深度不超過0.02mm，A5銷軸壓痕的深度不超過0.03mm，寬度均同叉形連接件和支座支耳厚度，即銷軸與叉形連接件、支座的配合面發生磨損，如下圖所示。銷軸的壓痕深度小于銷軸的制造公差一個數量級，且該壓痕深度造成銷軸的抗剪截面積減小可忽略不計，所以試驗后的銷軸磨損不影響其抗剪能力。

圖3.1.2 銷軸壓痕

3） 支座的銷軸孔未出現拉長變形，但可見明顯壓痕，A4支座銷軸孔壓痕深度不超過0.01mm，A5支座銷軸孔壓痕深度不超過0.02mm。支座銷軸孔的接觸面支承應力未超過A工況的最大支承應力0.9Sy[3]，也未超過D工況的最大支承應力2.1Su[4]，所以壓痕不會由擠壓造成，可能是循環擺動時銷軸與配合面的磨損。且支座的壓痕深度小于支座的制造公差一個數量級，該深度對開孔拉應力及支承應力的影響可忽略不計，所以試驗后的銷軸孔壓痕不影響其強度。

圖3.1.3 A5支座銷軸孔壓痕

4） A4叉形連接件的銷軸孔沿軸向被拉長，拉長的直徑不超過3.5mm，呈不規則橢圓形，A5叉形連接件的銷軸孔無明顯變形，如下圖所示。A5試驗時的最大拉力為D級拉力，在試驗前對其應力評定知A5叉形連接件的拉應力未超過許用應力，故試驗結果與理論計算一致。由于D級工況下允許部件變形，但不允許結構破壞，所以A5叉形連接件沒有變形證明了該設計可靠且留有裕量。A4試驗時的最大拉力為2倍的D級拉力，在試驗前對其應力評定知A4叉形連接件的拉應力超過許用應力，但未超過強度極限Su，故試驗結果與理論計算一致，A4叉形連接件被拉長。

圖3.1.4 A4叉形連接件被拉長

3.2 硼酸浸泡試驗

在3.1節A4、A5分別完成拉應力、壓應力及擺動測試試驗之后，進行試驗件硼酸浸泡試驗。將A4、A5試驗件（僅高溫端）的銷軸連接部分浸入硼酸溶液中，按試驗實施細則表2.4執行。24小時后，拿出試驗件，用清水將硼酸殘留物沖洗干凈，然后用干凈的布擦干，再涂上保護油脂，防止試驗件生銹。

試驗件在經歷硼酸浸泡后：叉形連接件表面產生大量的浮銹，由于材料的不同，銷軸和支座表面產生少量的浮銹。將硼酸殘留物沖洗干凈之后，用干凈的布輕輕擦拭即可去除試驗件表面的浮銹。

3.3 硼酸浸泡后拉試驗

將硼酸浸泡后的A4、A5試驗件再次安裝到試驗臺架上進行拉伸試驗，考察硼酸浸泡后試驗件的可靠性和穩定性。

試驗后拆下A4、A5試驗件，測量發現A4、A5試驗件銷軸壓痕深度、支座銷軸孔壓痕深度比硼酸浸泡試驗前稍有增加，采用3.1節相同分析知銷軸和支座的壓痕不影響其強度；A4、A5試驗件叉形連接件均沿軸向被拉長，呈不規則橢圓形，這是由于試驗拉力為2倍的D級拉力，拉長直徑不超過5.8mm，為可接受變形量?？梢娕鹚峤莺蟮腟G垂直支撐在超過設計規定載荷（2倍的D級拉力）的拉伸情況下，結構僅發生局部可接受的變形，而未發生結構破壞，說明SG垂直支撐擁有足夠的安全裕度。

3.4 試驗結果小結

1） 試驗件在試驗后發生變形，銷軸可見明顯壓痕，寬度同叉形連接件和支座支耳厚度；叉形連接件銷軸孔軸向被拉長，呈不規則橢圓形；支座銷軸孔可見明顯壓痕。以上試驗件變形不影響試驗件的功能和結構完整性。

2） 試驗件高溫端和常溫端磨損對比無明顯差異；硼酸浸泡后表面產生浮銹，輕輕擦拭即可去掉，與硼酸前磨損無明顯差異。

3） 試驗件的應力數據顯示：主要應力集中在銷孔周圍，與力學計算一致，在工程應用中可考慮適當加強該處材料強度。

4.結論

本研究根據AP1000蒸汽發生器垂直支撐結構分別設計和制造A4、A5試驗件，并對其結構設計進行驗證分析。試驗后發現試驗件在經歷了比D工況更為嚴酷的運行條件后均未發生嚴重變形和可能影響其功能的損傷，證明了蒸汽發生器垂直支撐結構設計的合理性與可靠性，在超過設計規定載荷（2倍的D級拉力）的拉伸情況下，結構僅發生局部可接受的變形，而未發生結構破壞，說明SG垂直支撐擁有足夠的安全裕度。通過該研究也總結出一套驗證剛性支撐桿結構可靠性的試驗方案及試驗臺架設計方案，也適用于電力行業中其他管道用剛性支撐桿的最大偏裝角度測量、擺動磨損量測量等。