AP1000核电汽轮机的创新设计特点

第40卷第4期2011年12月VO140NO4DEC2011AP1000核电汽轮机的创新设计特点刘希涛，蒋浦宁上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240摘要AP1000作为未来国内发展的主力核电堆型，比现有二代半堆型功率更大、寿命更长，且有内陆应用要求等新特点，其发展对汽轮机设计开发提出了新的要求。介绍了上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂以下简称STP在AP1000核电汽轮机设计中的创新设计特点，通过对核电汽轮机关键部件60年寿命设计、核电汽轮机及基础整体抗震性能评估、核电汽轮机低压焊接转子设计、核电汽轮机长叶片系列化设计等方面的介绍，旨在探讨如何提高汽轮机的运行寿命、安全性和经济性。这些创新设计基于大量的试验计算研究，其研究结果将对我国AP1000核电汽轮机的自主化设计及未来核电产品的出口起到积极的推动作用。关键词汽轮机；60年设计寿命；抗震分析；焊接转子；末级长叶片中图分类号TK261文献标识码A文章编号16725549201104022506NEWFEATURESFORAP1000NUCLEARSTEAMTURBINESLIUXITAO，JIANGPUNINGSHANGHAIELECTRICPOWERGENEMTIONEQUIPMENTCO，LTDSHANGHAITURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTASAMAJORNUCLEARPOWERREACTORTYPEINFUTUREDOMESTICMARKET，AP1000FEATURESGREATERUNITCAPACITY，LONGERLIFE，ANDSUITABLEINLANDAPPLICATIONETCCOMPAREDWITHTHESECONDPLUSGENERATIONNUCLEARPOWERREACTORTYPESNEWREQUIREMENTSARENECESSARYFORSTEAMTURBINEDESIGNWITHAP1000DEVELOPMENTTHESPECIALPROPERTIESINAP1000NUCLEARSTEAMTURBINEDESIGNEDBYSHANGHAITURBINEPLANTSTPISINTRODUCED，THEISSUESON60YEARSDESIGNLIFEOFTURBINEKEYCOMPONENTS，EVALUATIONFORSEISMICANALYSISOFTURBINEANDFOUNDATIONSYSTEM，LPWELDEDROTORDESIGNOFNUCLEARTURBINEANDDEVELOPMENTOFLASTSTAGEBLADESERIESETCAREPRESENTEDTOINVESTIGATEHOWTOIMPROVETHEOPERATIONLIFE，SAFETYANDECONOMYFORNUCLEARTURBINESBASEDONAGREATQUANTITYOFTESTSANDCALCULATION，THEINNOVATIVEDESIGNSWILLHELPTODEVELOPCHINESENUCLEARTURBINEWITHOWNINTELLECTUALPROPEYFIGHTWITHAVIEWTOPROMOTETHENUCLEARPRODUCTSEXPORTINFUTUREKEYWORDSSTEAMTURBINE；60YEARSDESIGNLIFE；SEISMICANALYSIS；WELDEDROTOR；LASTSTAGEBLADEAP1000作为未来核电发展的主力堆型，在中国具有广阔的市场和发展前景，如何制造出满足第三代核电技术新要求以及新的国际安全标准并能与传统能源相竞争的核电厂成为相关电力投资公司和设备制造商需要考虑的重要问题。相比二代半核电汽轮机的设计，第三代核电技术APIO00的发展需要汽轮机的设计具有更大的功率和更好的经济陛，并在地震工况时具有良好的抗震性能、更广的地域适应性来适应我国国情特点，以及能满足核岛6O年的设计寿命要求。本文介绍了STP在设计开发AP1000核电汽轮机关键部件60年寿命的设计、核电汽轮机及基础整体抗震性能的评估、核电汽轮机低压焊接转子设计、核电汽轮机长叶片的系列化设计等方面的最新研究和进展，旨在探讨如何设计好能匹配第三代核电技术AP1000发展的汽轮机，为核电汽轮机的设计提供借鉴。11超长寿命设计理念提出的背景超长寿命设计理念的提出是以世界范围内核收稿日期201108013修订日期2011一L017作者简介刘希涛1984一，男，2007年毕业于哈尔滨工程大学核工程与核技术专业，现工作于上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，从事核电汽轮机设计开发工作。III固第4期AP1000核电汽轮机的创新设计特点电站延寿的背景为基础，希望能够将目前全球在运核电站寿命从4O年延长到60年。目前，全球在运核电站绝大多数设计寿命为40年，且大都在2O世纪70年代开始建设，这意味着若不采取延寿措施，今后几年这些核电站将面临陆续退役的命运。在传统的汽轮机设计理念中，人们对汽轮机的寿命预测和可靠性设计进行了探索和研究J。AP1000技术的发展带动了核电超长寿命设计理念的发展，超长寿命设计方法是保障60年寿命的重要基础。12超长寿命设计的方案与对策STP在AP1000核电汽轮机的设计之初就引入了超长寿命的设计理念，为确保汽轮机关键部件60年寿命的设计要求，需要开展以下工作1关键部件材料的可靠性试验关键部件材料的性能试验是保障可靠性的基础。由于疲劳破坏为核电汽轮机关键部件的主导破坏形式，因此疲劳试验意义重大。疲劳试验主要包括SN和N曲线测试、疲劳门槛值测试和疲劳裂纹扩展试验。同时为了考察服役环境对疲劳破坏的影响，需要开展中温和蒸汽条件下的疲劳试验。在SN曲线的测试方面，要获得1OL0加周次范围内的应力一寿命关系数据，作为超长寿命设计的基本参考数据。疲劳门槛值测试时，需要考察应力比对疲劳门槛值的影响，并且需要开展服役环境下的疲劳门槛值试验。同时还需要开展疲劳裂纹扩展速率大于10MMCYC时的疲劳裂纹扩展试验。2损伤容限设计技术常规疲劳设计方法和局部应力应变法都是以材料的完整性为前提的。但是，实际零部件在加工制造过程中，由于种种原因，往往存在多种缺陷或裂纹，因此在断裂力学和破损一安全设计原理的基础上，提出了一种新的疲劳设计方法损伤容限设计。简单说来，损伤容限设计就是以断裂力学为理论基础，以无损检验技术和断裂韧度的测量技术为手段，以有初始缺陷或裂纹零构件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，确保零构件在其服役期内能够安全使用的一种疲劳设计方法。损伤容限设计，允许零构件在使用期内有初始缺陷，或在服役期内出现裂纹，发生破损，但在下次检修前要保持一定的剩余强度，能够安全使用，直至下次检修时能够发现，予以修复或更换。囡III1|损伤容限技术主要包括材料初始裂纹尺寸A。的检测、材料临界裂纹尺寸A的计算、材料疲劳裂纹扩展速率的确定和材料裂纹扩展寿命的估算四部分内容，裂纹扩展寿命就是裂纹从可见的尺寸大小扩展到失效所需要的时间J，其基本思想是在获得材料疲劳门槛值这一本质属性的基础上，依据断裂力学的理论获得材料和结构允许的临界缺陷尺寸或临界应力水平，以保证结构在给定的使用寿命期限内，不会因为未被发现的初始缺陷、裂纹或其他损伤扩展而出现灾难性的事故。3超长寿命设计技术根据AP1000核电汽轮机关键部件设计寿命60年的要求，60年的工作寿命期内汽轮机需要转动高达10M次，相对40年的设计寿命转动次数增加了50。研究发现，试样承受载荷低于疲劳极限对应的应力水平时，试样仍会破坏，此时寿命高于10周次，人们把高于10循环周次的疲劳破坏称为超高周疲劳，在超高周疲劳破坏模式下，传统疲劳极限并不存在J。通过对1010M周次内的破坏机理进行分析，发现疲劳裂纹的萌生位置发生转变图1。相对于低周和高周疲劳时疲劳裂纹在表面萌生，超高周疲劳裂纹常在内部萌生并扩展。超高周疲劳的研究使传统疲劳设计思想面临挑战J，超长寿命设计技术需要考虑材料超高周疲劳破坏的理论。茎坚失效循环1次数、日R图1超高周疲劳应力一寿命关系13AP1000核电汽轮机关键部件60年寿命设计基于上述认识，STP完成了大量的结构设计工作，主要设计成果如下1首先进行稳态计算，主要包括核电汽轮机转子、汽缸与阀壳等部件的稳态最大负荷工况温度场和应力场的有限元数值计算，提出了局部优化改进设计方案，确保核电汽轮机转子、汽缸与阀壳等耐用件沿壁厚或沿截面的平均应力小AP1000核电汽轮机的创新设计特点热力透平于许用应力。应力集中部位局部最大应力OV。小于工作温度下材料屈服极限。，稳态额定负荷静强度设计全部合格。2然后进行核电汽轮机转子、汽缸与阀壳的启动、停机过程的瞬态温度场和应力场的有限元数值计算和优化改进，并将核电汽轮机按照两班制运行的苛刻要求考核，即按运行60年内启动100000次年均1666次、负荷变动22000次年均365次考核部件的低周疲劳寿命，远高于IEC标准规定的运行30年内启动3830次年均120次要求，应力集中部位弹性有限元计算的局部最大应力。150“。2T；转子等转动部件应力集中部位弹性有限元计算的局部最大应力20“。2T，瞬态变工况强度设计全部合格。3核电汽轮机末三级动叶片的频率和强度有限元分析计算，配合全尺寸振动试验，进行调频设计，使得末三级动叶完全避开共振频率，确保动强度安全；通过有限元手段对末三级叶片的大圆角纵树型叶根的型线进行优化设计，使其稳态合成应力降低到最小限度，满足高安全系数的要求；调整叶型部分的型线，使得叶型各个截面上的应力均满足强度安全要求。即使叶片表面由于水蚀产生了尺寸1至2MM的坑状变形，也能保证60年当中年均约900次启动的低周疲劳寿命，低周疲劳寿命设计合格。图2示意了末级动叶一阶5节径振型。2末级动叶一阶5节径振型不意图4核电汽轮机高、低压转子在运行中，转子外表面除了承受离心力载荷与热载荷产生的平均应力之外，还承受由于转子自重作用的交变载荷。转子每转一周，转子承受一次疲劳循环。对半转速核电汽轮机，每秒疲劳循环25次，每年运行按7000H计算，60年高周疲劳循环37810M次。STP同国内科研院所合作，已经完成了汽轮机焊接低压转子高周疲劳强度计算分析和优化改进。经过几十个优化改进方案的有限元数值计算，确保焊接转子运行6O年2MM以下裂纹在高周疲劳作用下不扩展，高周疲劳强度设计全部合格。图3为焊接转子优化设计与原设计方案的比较。图3优化设计与原设计方案比较虚线为原结构，实线为优化设计方案2核电汽轮机及基础整体抗震性能的评估2011年3月111313本发生90级大地震，人们再次意识到核电站抗震的重要性。随着核电汽轮机结构尺寸的加大以及钢板加厚等因素的影响，整个低压静子系统重量越来越重，目前核电大型半速机组整体重量已经接近甚至超过了整个TG基础平台的重量，汽轮机和汽轮机基础作为电站重要的组成部分，目前传统的设计手段在抗震方面采用的各自独立分析评估方法已经不能满足提高抗震性能的要求J，必须对整个低压汽缸一凝汽器系统进行整体抗震性能研究。从低压汽缸一凝汽器支撑方式的改进到整体抗震指标分析，STP与抗震结构设计专业单位合作研究，制定了一套完善的抗震考核方法。21要解决的技术问题核电站设备的设计、安全可靠性始终是第一位的。对核电汽轮机组结构设计方案进行抗震分析需要解决的主要技术问题是在方案设计阶段就对机组在地震情况下进行安全可靠性的分析，把抗震因素考虑进来，通过对比不同的结构设计方案，来选用比较合理的方案，为设计定型提供依据，并根据抗震分析考核的结果进行结构的优化改进，提高机组的固有安全性。22与抗震有关的结构设计方案选型为了提高汽轮机机组抗震性能，在抗震设计中需考虑不同的结构设计方案，分析地震作用对不同结构设计的影响，通过计算结果对比选取一个最优方案。STP在进行低压汽缸一凝汽器系统豢誓L囫APIO00核电汽轮机的创新设计特点热力透平评估，可以更准确反映地震过程中系统的动力特性，为汽轮机设备的抗震安全性能提供依据。对比常规设计的核电机组，对核电机组低压缸进行抗震分析及结构方案优化后，可以抵御高达8度地震烈度的地震袭击，保证机组安全停机而设备不会发生大的损坏。机组可以在1周左右的时间内通过检修并更换必要的外围部件后继续投入运行。3核电汽轮机低压焊接转子设计由于受设备和锻造技术的限制，国内外大型整锻转子的毛坯供应严重不足，已成为目前汽轮机制造的瓶颈。为了解决锻件资源对汽轮机设计的制约，寻求一种更经济、制造及工艺质量控制成本更低、加工周期更短、更易实现国产化的大型低压转子技术方案，焊接转子是最佳的选择。核电焊接转子设计是一个系统工程，包括了焊缝结构设计、焊接工艺、焊缝质量评价等诸多关键技术，要实现核电低压转子的焊接产业化生产必须自主进行这些技术的研发和攻关。STP具有50多年的焊接转子设计、制造、运行经验，至今已经成功焊接、制造包括燃机压气机转子、亚临界125MW至600MW低压转子、12CR超超临界高中压转子、联合循环异种钢转子、1000MW超超临界低压转子、AP1000核电试验转子等各类转子467根，其中432根已经投入商业运行，没有出现因焊接质量造成的停机返修事故。如下为大型核电低压焊接转子结构设计核心技术1核电低压焊接转子叶轮型线优化分析关于低压转子叶轮型线的选择，需要根据动叶片的设计来决定，对于低压末三级，由于叶片离心力很大，所以叶根一般采用侧装枞数型叶根。对应的叶轮在转子重量控制较严格的情况下，可采取等强度轮面。对于其它各级，如果采用T型叶根，则一般对应采用鼓式叶轮。2核电低压焊接转子焊缝几何参数设计焊缝半径、焊缝径向厚度、焊缝在转子上的位置，都会影响到转子应力分布，要综合考虑多种因素，STP在开发AP1000低压焊接转子时确定了5条焊缝和7条焊缝两个方案，同步进行了设计优化，并全部达到了设计要求，最后可以根据产品最终设计要求进行焊缝方案的选择，见图6。7条焊缝方案5条焊缝方案图6AP1000低压焊接转子焊缝优化设计3核电低压焊接转子考核评判标准焊接转子及在役焊接转子考核评判标准一直是焊接转子技术中最为核心的技术之一，核电设备的安全等级更决定了这方面准则与机制建立的必要性。STP进行了包括11模拟试验件焊接及分析、试验焊接转子焊接等一系列的研究，确保用于AP1000核电项目的低压焊接转子具有良好的设计性能和安全可靠性。相比原有传统转子设计技术，核电焊接转子需完善以下几方面的设计考核分析，以满足AP1000核电项目60年寿命的需求。1核电低压焊接转子高周疲劳分析；2核电低压焊接转子低周疲劳分析；3核电低压焊接转子应力腐蚀分析。由于核电低压转子结构尺寸和重量特别大，在现有技术和经验的基础上还需要进行系统全面的试验研究，主要有以下L2方面1焊缝布局和坡口设计；2专用焊接装备的设计和制造；3焊接转子焊接生产路线制订、工艺方法确定及流程分析；4焊接材料筛选及试验分析；5可焊性研究；6窄间隙氩弧焊工艺技术开发；7窄间隙埋弧焊工艺技术开发；8焊接接头综合力学性能测试与分析；9锻件材料的研究与采购渠道分析；10核电低压焊接转子无损检测技术研究；L1核电焊接低压转子热处理技术；12核电低压焊接转子使用性能和安全陛评定技术。4核电汽轮机长叶片的系列化设计在中国，核电项目的选址具有从南方到北方、从沿海到内陆分布广泛的特点，不同的地区具有不同的气象水文条件。从经济性和安全可靠性角度来看，汽轮机设计的是按照排汽容积流量选配合适排汽面积的低压模块。为了适应AP1000核电在不同的地区的发展需求，汽轮机制造厂必须建立不同排汽面积，不同通流能力的长叶片系列|1111圆第4期AP1000核电汽轮机的创新设计特点供不同地区、不同冷却水温的汽轮机选配。末级长叶片是决定机组经济性、可靠性的关键部件。长叶片的开发涉及气动、强度振动、计算机、材料、抗水蚀、大型锻造工艺、试验测试等学科一系列前沿技术。长叶片的开发体系必须技术先进，成熟可靠，且有足够的经验验证。根据不同的反应堆容量及可能的背压范围，STP完成了“大容量核电汽轮机低压长叶片框架规划”研究，其主要成果为1根据汽轮机气动原理，每个长叶片均有对应最佳轴向排汽、零效率、做功能力阻塞、最小排汽损失4个特征容积流量。通过这些特征流量与圆周速度、排汽面积、动叶出汽角的函数关系，可以建立每个末级长叶片的排汽损失特性。2机组的容积流量与末级叶片的排汽损失特性的匹配将决定机组的经济性、安全可靠性。合适的低压配置，可使排汽损失控制在整个机组出力的12；配置不当，损失将超过3，并影响机组夏、冬季工况、部分负荷运行的经济性及安全可靠性。3从全背压范围满足经济性角度，确定同一转速下末级长叶片环形面积大约按J2126间隔变化，转子直径按10变化的基本原则。长叶片的开发技术体系分为总体方案设计、流场设计、强度振动及结构设计、叶片级的精细化设计、实物叶片振动试验及专题研究验证共6个阶段。在汽轮机叶片流场设计方面，STP建立了全三元叶片的计算机体系，通过周向弯曲，改变气流沿叶高的压力分布特性，减少二次流损失，提高效率。在全三元CFD流场计算中，将着重对动静叶冲角特性、沿叶高反动度特性、出口总压分布特性、子午面通道型线流畅性和扩张规律等方面进行调整和优化，以达到最优效率。在叶片结构设计和强度振动计算方面，STP在多年工程经验的基础上。结合有限元计算和考核方法，对叶根轮槽、离心应力、合成静应力、动强度考核、围带凸台接触力、振动模态和频率特性等关键点进行考核计算，保证机组的安全可靠性。根据上述原则，STP为国内现有CPRIO00，AP1000，EPR，CAP1400等堆型开发规划了4种规格的长叶片表1，可满足现有百万等级以上压水堆，各种背压机组的配置要求。蚕囵囊表1长叶片系列化设计目前I710MM长叶片已于2009年11月底完成全部设计开发工作，并于2011年1月21日完成试验转子的动振动试验图7，2011年5月18日完成评审鉴定。图71710MM末三级长叶片试验转子5结语本文介绍