導向管連接螺栓開孔后的控制棒落棒緩沖計算

摘 要：該文研究了導向管連接螺栓開孔后，對控制棒的落棒緩沖過程的影響。該文計算了冷、熱態條件下控制棒落棒緩沖過程的速度、時間和壓差的變化，并對控制棒落棒時導向管受撞擊時產生的應力進行分析，驗證了導向管連接螺栓開孔后的控制棒緩沖段仍滿足設計要求。

關鍵詞：開孔 緩沖 最終速度 最大壓差

中圖分類號：TL362 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-0-02

在300 MWe燃料組件的控制棒導向管下端焊有未開流水孔的連接螺栓，這使得在制造過程中緩沖段下方導向管內的積水無法自然排出，也不利于導向管內異物的檢查；而且在反應堆正常運行時，緩沖段下方導向管內也會存在冷卻劑滯流現象，不利于熱量的傳導。為改善以上兩種情況引起的不良影響，我們對連接螺栓進行改進設計，在連接螺栓上設置一個通孔。如圖1所示，為制造加工方便，連接螺栓采用三級開孔設計。

導向管連接螺栓開通孔后，加快了控制棒落棒過程，并使得控制棒落棒的最終速度增大。為了驗證開孔設計后是否仍滿足控制棒水力緩沖設計要求，計算開孔前后的控制棒落棒緩沖過程，并對導向管受到的撞擊應力進行分析，從而驗證能否滿足設計要求。

1 計算模型

1.1 計算控制棒落棒過程

本計算基于以下假設：（1）控制棒組件運動時，忽略其連接柄和驅動軸的水力阻力；（2）控制棒運動時，認為其機械摩擦力為常數；（3）控制棒插入導向管時，忽略其水剪切力和流體動力學效應。

當控制棒處于水力緩沖階段時，其受力如圖2所示，控制棒水力緩沖的動力學方程為：

其中：W0為控制棒的濕重（控制棒重量減去浮力），N；Fm為機械摩擦力，N；R為控制棒運動引起的水力阻力，N；W為控制棒重量，N；g為重力加速度，m/s2；S為控制棒向下走過的距離，m；t為控制棒向下走過距離S所需的時間，s。

方程（1）中的水力阻力R主要來自沿縮頸和控制棒之間環隙的穩流壓降，所以可表達為：

R =ΔP·A（2）

其中：A為控制棒截面積，m2；ΔP為沿環隙的穩流壓降，Pa。

通常，ΔP可用下列公式描述：

ΔP =（3）

其中：f為流體阻力系數；ρ為流體密度，kg/m3；Vd為通過環隙的流體計算速度，m/s；Δl為縮頸長度，m；Δd為在縮頸和控制棒之間的環隙直徑間隙，m。

對于導向管連接螺栓不開孔和開孔這兩種情況，只有變量Vd不一樣。可根據參考文獻[1]中的方法來計算Vd，公式如下：

Vd = Vl+Va（4）

其中：Va為附加流速，m/s，考慮取控制棒速度的一半；Vl是由于控制棒擠水造成的，為縮頸環隙內水的實際流速，m/s。

綜合以上公式，可計算得到連接螺栓未開孔和開孔下的控制棒落棒情況。

1.2 計算導向管受到的撞擊應力

在保守情況下，不考慮燃料棒對吸收沖擊動能的貢獻，這時導向管受到的沖擊應力σg，計算如下：

其中：W為控制棒組件及驅動軸重量（不考慮水力浮力影響），N；S為導向管截面積，m2；kg為沖擊動載荷系數。

其中，V′為落棒時控制棒組件撞擊到燃料組件的速度，Δl為落棒時，導向管在控制棒組件及驅動軸重力作用下的靜變形，對應于導向管不同位置有不同取值。

2 計算分析

2.1 計算結果

在冷態（20 ℃、1 bar）和熱態（300 ℃、15.3 MPa）條件下，對連接螺栓底部開孔和未開孔兩種情況下的控制棒落棒分別進行計算，得到控制棒落棒時間、導向管內流體最大壓差和控制棒落棒末速度的計算結果，主要計算結果如表1所示。

圖3給出了計算得到的熱態下，落棒過程中的各參數圖，由圖分析可知，當導向管底部連接螺栓開孔后，控制棒落棒時間減少，最終速度增大，導向管的最大壓差減小。

a. 落棒時間

b. 落棒速度

c. 導向管內最大壓差

2.2 導向管受落棒撞擊的應力分析

不同位置的導向管沖擊應力σg計算結果如表2所示。由表2可知，控制棒導向管產生的最大應力（σg3）出現在開孔處。已知導向管材料為不銹鋼，在320 ℃時的最小屈服強度（Rp0.2）為195MPa----[2]，則導向管材料的許用應力Sm=2/3·Rp0.2=130 MPa。控制棒導向管受落棒撞擊所產生的最大應力小于導向管材料的許用應力，滿足強度準則要求。

4 結語

該文在冷熱態條件下，研究了導向管連接螺栓開孔對控制棒的落棒緩沖過程的影響，分別計算了導向管連接螺栓開孔和未開孔兩種工況下，控制棒落棒的時間、速度及導向管的最大壓力。計算結果表明：在模擬堆內溫度和壓力的熱態條件下，導向管連接螺栓開孔后，控制棒落棒落棒緩沖時間由0.34 s減少到0.29 s，控制棒最大速度由0.81 m/s增大至0.99 m/s，導向管的最大壓差由1.95 MPa降低為1.93 MPa。

由于控制棒最終速度無設計限值，所以需要對控制棒最終速度增大后帶來的安全風險進行評價，通過對連接螺栓開孔后，控制棒落棒對導向管產生的應力進行計算分析，可知在控制棒落棒速度增大至0.99 m/s的情況下，導向管的設計仍能滿足強度準則要求，綜上所述，控制棒導向管連接螺栓的設計改進是可行的。

參考文獻

[1]蘇耀祖，季德官，張金品.單根控制棒水力緩沖試驗報告[R].上海核工程研究設計院，1977.

[2]機械設計手冊：第一卷：第1篇[M].北京：化學工業出版社，2009.