核电厂堆芯支承下板与吊篮热处理变形数值分析

机械研究与应用2013年第3期第26卷，总第125期研究与分析核电厂堆芯支承下板与吊篮热处理变形数值分析廖家麒，刘冬安，林绍萱，于庆，沈秋平上海核工程研究设计院，上海200233摘要堆芯支承下板和吊篮均属于核反应堆中的关键组件，对反应堆安全运行起着重要作用。面向堆芯支承下板和吊篮的热处理变形问题，首次尝试建立堆芯支承下板与吊篮的“热一力”直接耦合热处理数值模型，并系统分析热处理过程中堆芯支承下板和吊篮的温度场和残余变形的变化规律；最后通过对比模型结果和工程测量结果，验证了模型和结论的正确性，该分析模型可为后续揭示热处理残余变形机理和热处理工艺优化设计提供模型基础。关键词核反应堆；堆芯支承下板；吊篮；热处理中图分类号TH123文献标志码A文章编号10074414201303002304NUMERICALANALYSISOFPOSTWELDINGHEATTREATMENTFORLOWERCORESUPPORTPLATEANDCOREBARRELLIA0JIAQI，UUDONGAN，LINSHAOXUAN，YUQING，SHENQIUPINGSHANGHAINUCLEARENGINEERINGRESEARCHANDDESIGNINSTITUTE，SHANGHAI200233，CHINAABSTRACTLOWERCORESUPPORTPLATELCSPANDCOREBARRELCBARETHEKEYCOMPONENTSINTHENUCLEARREACTORPLANTAIMINGATTHEDEFORMATIONANALYSISOFLCSPANDCBAFTERHEATTREATMENT，ATHERMALSTRUCTURALDIRECTCOUPLINGMODELISDEVELOPEDINTHISPAPERTHEGENERALRULESOFTEMPERATUREANDDEFORMATIONOFLCSPANDCBDURINGTHEPOSTWELDINGHEATTREATMENTPROCESSAREOBTAINEDTHEMETHODOLOGYANDRESULTSOFTHISSTUDYAREVALIDATEDBYCOMPARINGTHENUMERICALRESULTSWITHTHEFIELDMEASUREMENTS，WHICHCANBEUSEDTOGUIDETHEOPTIMIZATIONOFTHEHEATTREATMENTPROCESSINTHEFUTUREKEYWORDSNUCLEARREACTOR；LOWERCORESUPPORTPLATE；COREBARREL；HEATTREATMENT1引言堆内构件是核反应堆内部的重要组成部分，对反应堆功能实现和安全运行起着重要作用，而堆芯支承下板和吊篮又属于堆内构件中的核心关键组件12。堆芯支承下板起到支承燃料组件的作用，其上布置多个燃料组件定位销和流水孔等关键特征见图1，其中燃料组件定位销与燃料组件下管座配合，保证燃料组件的安装精度。在反应堆运行过程中，为了保证燃料组件运行的稳定性，对燃料组件的就位和对中均有非常高的要求，因此要求堆芯支承下板和吊篮必须保证其形状精度和位置精度J，并且对整个堆芯支承下板平面度也有较高的要求。堆芯支承下板焊缝图1反应堆堆芯支承下板与吊篮及其焊缝结构示意图工程中为了减小堆芯支承下板与吊篮间焊缝的焊接残余应力，需要对该区域进行焊后热处理。经热处理后发现堆芯支承下板发生了较大的残余变形，导致燃料组件定位销的位置精度严重超标，影响了燃料组件的安装定位。即使能够安装成功，也会对燃料组件的对中以及后续的安全运行带来很大影响如落棒困难的影响等。由于堆芯支承下板与吊篮间焊缝是首次出现此类热处理的变形问题，同时由于核电设备设计的高精度和高安全性的要求，因此迫切需要建立高精度的吊篮和堆芯支承下板间热处理数值模型，尽快系统地分析热处理过程中的温度场和残余变形的变化规律，并为最终找出残余变形的根本原因提供指导。根据热处理的多物理场耦合本质，建立堆芯支承下板与吊篮的“热一力”耦合热处理数值模型，获得热处理过程中堆芯支承下板的温度场和残余变形结果，通过与实际测量结果进行对比，验证本文模型和分析结果的正确性，从而在模型方面为解决此工程问题奠定基础。2堆芯支承下板与吊篮热处理数值模型21堆芯支承下板与吊篮热处理工艺图2A展示了堆芯支承下板与吊篮之间焊缝采用的局部热处理工艺。在焊缝周边局部区域包裹加收稿日期20130408作者简介廖家麒1980，男，四川成都人，工程师，主要从事核电设备设计及研究方面的研究。通讯作者刘冬安1981一，男，博士，高级工程师，主要从事核电设备研发工作。23研究与分析2013年第3期第26卷，总第125期机械研究与应用热装置，通过程序自动控制加热装置的温度变化，实现预定的热处理工艺曲线，见图2B所示。从该热处理工艺曲线可看出，整个热处理过程分为加热、保温、控制冷却和自然冷却4个阶段。此热处理工艺多温度阶段，且各阶段温差较大，导致堆芯支承下板在整个热处理过程中温度分布不均匀，进而造成整个堆芯支承下板的不均匀热膨胀和热应力的产生。A热处理装置示意图THB热处理工艺温度曲线图2堆芯支承下板和吊篮之间焊缝采用的热处理工艺22几何模型和材料参数堆芯支承下板和吊篮分别属于厚圆板型结构和薄壁圆筒型结构，其中堆芯支承下板中开有大量流水孑L以及燃料组件定位销孔。在本文模型中，由于定位销孔的尺寸很小，对整个分析的影响可以忽略，因此数值模型中省略了定位销孑L。同时，由于整个堆芯支承下板和吊篮结构的对称性，选取14结构建立了数值模型见图3。因为热处理过程是一个温度场和结构场的耦合过程，目前分析此耦合场的方法主要分为间接耦合和直接耦合两种J。其中直接耦合方法通过在每次求解迭代过程中都进行温度场和结构场的耦合计算，因此更接近于热处理多物理场耦合的本质，避免了传统间接耦合带来的传递误差，具有较高的计算精度。因此，本文为了提高模型的分析精度，基于商用有限元软件ANSYS，采用直接耦合法建立了堆芯支承下板与吊篮的“热一力”耦合热处理数值模型。点P1点尸2点户3点点尸5图3堆芯支承下板与吊篮“热一力”直接耦合数值模型及关键位置点定义本文建立的堆芯支承下板和吊篮热处理数值模型为“热一力”直接耦合模型，需要同时输入温度场和结构场的材料参数。随温度变化的材料参数如表1所列。表1堆芯支承下板和吊篮“热一力”直接耦合模型材料参数表23载荷和边界条件为了模拟堆芯支承下板和吊篮热处理过程中的“热一力”直接耦合效应，在建立的耦合模型上需同时施加温度场和结构场的载荷和边界条件。由于模型的对称性，在对称边界上施加结构对称边界条件和绝热边界条件；在加热装置的部分施加与实际热处理工艺曲线一致的温度函数曲线，如图2B所示，并保证各阶段热处理时间与实际热处理过程一致。吊篮上部通过十字定位键定位，可作为约束边界处理；同时，为了模拟整个热处理过程中的空气对流效应，在除加24热带包裹部分和模型对称面外的其余部分都施加空气自然对流系数。3热处理过程模型结果基于上述建立的堆芯支承下板与吊篮“热一力”直接耦合热处理数值模型，系统分析了热处理过程中的温度场和残余变形的变化规律，并与工程测量结果进行了对比。31热处理过程温度场图4展示了堆芯支承下板和吊篮在整个热处理过程中4个阶段的温度场分布。可以看出，堆芯支承研究与分析2013年第3期第26卷，总第125期机械研究与应用33关键位置点结果分析为了进一步系统地分析堆芯支承下板的温度场和残余变形在整个热处理过程中的变化规律，在其径向选取了均匀分布的5个关键位置点，如图3A所示，并绘制了整个热处理过程中各点的温度和径向偏差随时间变化曲线，如图6所示。从图6A的温度曲线可以看出，P、P和三个关键位置点的温度在整个热处理过程中呈现类似的变化规律，与热处理过程的4个阶段基本同步。表现出加热阶段温度迅速升高，保温阶段缓慢升高，控制冷却阶段迅速下降，至自然冷却后下降至室温的特点。其中，越靠近外侧的位置点如P，最高温度越高，温度变化速率也最大。而靠近内侧的两个位置点P与P在整个热处理过程中温度几乎保持不变，与图4中的温度分布云图结果吻合。剖嘣0102030405O时间HA温度变化结粜010203O4050时间HB径向偏差变化结果图6堆芯支承下板关键位置点的变化规律图6B展示了堆芯支承下板5个关键位置点的径向偏差在整个热处理过程中的变化规律，同样呈现出热处理过程的4个阶段。在加热阶段，各个关键点都产生正的径向偏差，越靠近外侧偏差量越大点；保温阶段时，径向偏差继续增大，但是增速变缓，保温结束时偏差量达到最大；进入冷却阶段后，径向偏差迅速减小，至完全冷却后，各点都呈现负的径向偏差即最终状态为径向收缩残余变形，其中越靠近外侧P点，径向负偏差越大，与图5A中的径向残余变形云图结果吻合。4结论面向工程中堆芯支承下板和吊篮焊后热处理变形问题，首次建立了“热一力”直接耦合的焊后热处理数值模型，并系统分析了热处理过程中堆芯支承下板与吊篮的温度场和残余变形的变化规律。分析结果表明，在热处理过程中堆芯支承下板温度场分布很不均匀，表现为外侧部分温度先升高再降低，而内侧部分温度几乎保持室温不变。温度场的不均匀分布导致堆芯支承下板发生了整体径向收缩变形，其中越靠近外侧，径向收缩量越大。另外，堆芯支承下板也发生了轴向“内凹”残余变形，影响了堆芯支承下板的整体平面度。通过对比模型结果与工程测量结果，验证了本文模型和结论的正确性，本分析模型为后续热处理工艺优化奠定了基础。参考文献1孙汉虹第三代核电技术AP1000M北京中国电力出版社，20102赵家镇，张绍军，杨文彬，等用于核电站堆芯支承板的奥氏体不锈钢Z3CN1810控氮锻件的制造与监督J热加工工艺，2011，40385883王庆田，许斌，何大明，等秦山核电厂二期扩建I程吊篮简体焊接变形的分析及其控制J核动力工程，2010，31614，94包立，梅瑞斌，齐广霞，等IN718合金叶片冷却过程热一力耦合场三维数值模拟J热加工工艺，201L，4019795张亚新，唐丽，别超固定管板式换热器管板热一力耦合场有限元分析J机械设计与研究，2012，283124126_LIPLI|_IL一LLIINI一【LL_”一一III。J14IIIII0INFO,NQLLII。LL。IEI一LLJ。LITLI_一一。LLLIIPIHIII我国自主研发的世界最大容量600MW超临界循环流化床锅炉投入运行近日，中国科学院工程热物理研究所等承担的国家“十一五”支撑计划重点项目课题“600MW超临界循环流化床锅炉运行技术与性能研究测试”通过验收。该课题是“超临界循环流化床”项目设置的6个课题之一，主要内容是对项目成果一由我国完全自主设计、制造和运行的超临界循环流化床技术进行验证。通过运行表明，我国成功掌握了超临界循环流化床升负荷过程湿一