淺談核島穩壓器

摘 要：文章對穩壓器的主要功能、工作原理和結構特點做了簡單的介紹，并著重分析了其制造過程中的關鍵點、難點。

關鍵詞：穩壓器；結構；制造

穩壓器是核電站核島一回路冷卻劑系統核安全一級主設備，其制造質量對核反應堆的安全運行有著重大意義。

1 穩壓器的主要功能和工作原理

1.1 主要功能

穩壓器用于穩定和調節一回路主系統的工作壓力，避免一回路主系統壓力過高或過低，以防止一回路主系統及設備超壓或壓力過低出現沸騰現象，避免堆芯燃料元件棒過熱燒毀事故。

1.2 工作原理

穩壓器與一回路通過波動接管連接，因此穩壓器內的蒸汽壓力與一回路水的壓力是相等的。因此，通過控制穩壓器內的壓力可以調節一回路中水的壓力，其具體是通過噴霧器和電加熱器實現的。正常情況下，穩壓器內的冷卻劑處于汽液平衡狀態，當需要降低系統壓力時，冷卻水從噴霧器噴出使其上部空間的蒸汽冷凝，使壓力降低；當需要提高系統壓力時，穩壓器底部的電加熱器啟動，穩壓器底部的部分水形成水蒸汽，從穩壓器底部上升到上部的蒸汽空間，使壓力升高[1]。

2 某項目穩壓器的結構介紹

某項目穩壓器是一個立式圓柱結構的高溫高壓設備（見圖1）。該設備主體是由上、中、下三段筒體與上、下封頭組焊而成。設備主體材料為508-Ⅲ鋼鍛件，各接管安全端材料為F316不銹鋼鍛件，總容積35m3。

2.1 上封頭組件

上封頭設有一個噴霧接管，三個安全閥接管和一個人孔。噴霧接管下端裝有噴霧器以伸入到穩壓器的上部蒸汽空間內。噴霧接管內部焊接有防熱沖擊套管，用于降低因冷水噴入溫度變化所產生的熱應力。安全閥接管連接安全閥，用于提供超壓保護。上封頭還裝有三個壓力水位計接管和一個溫度計接管。

2.2 筒體組件及其附件

筒體的下部設有上、下電加熱元件支撐板，對電加熱元件起支撐作用，并可以抑制其橫向振動。此外，該支撐板促進了波動水流與穩壓器內水的混合，而不影響穩壓器內水的自然循環。上支撐板中間也開有提供人員檢查通道的人孔。上、下電加熱元件支撐板分別與四個焊在殼體內表面的支撐座相連接，保證支撐板水平定位。筒體下部還裝有三個壓力水位計接管、一個溫度計接管以及一個取樣接管。

2.3 下封頭組件

下封頭設有一個波動接管，與一回路出口接管連接。波動接管內焊有防熱沖擊套管，用于降低由波動水流引起的熱應力和熱沖擊。在其入口處，還裝有分流器，有助于波動水流與穩壓器內水的均勻混合，同時過濾掉穩壓器內的雜物，防止其通過波動管進入反應堆一回路。

2.4 裙座組件

穩壓器底部采用圓形裙座組件支承。沿支承裙座圓周方向開有16個通風孔，用于電加熱元件電纜接頭的冷卻[2]。

3 某項目穩壓器的制造關鍵點、難點分析

3.1 防熱沖擊套管與安全端的分體結構

噴霧接管安全端和波動接管安全端與各自的防熱沖擊套管是一體的，噴霧接管安全端的防熱沖擊套管壁厚為4mm，波動接管安全端的防熱沖擊套管壁厚為為4.5mm。帶防熱沖擊套管的安全端與各自對應的接管焊接之后，薄壁的防熱沖擊套管與管座內壁的腔體尺寸將會發生很大變化，而且受結構所限，接管與安全端焊縫的焊接缺陷無法采用機加工或砂輪打磨的方式清除，故將防熱沖擊套管與安全端分離，即增加單獨的防熱沖擊套管結構，將安全端先與接管組焊，焊后加工去除背面工藝凸臺，之后再將防熱沖擊套管與安全端進行焊接，避免了因結構所限不能清除焊接缺陷的問題（見圖2）。

在修改結構的過程中，充分考慮了薄壁的防熱沖擊套管焊接所產生的變形，且防熱沖擊套管分段后的位置不影響安全端與防熱沖擊套管焊縫和安全端與接管焊縫各自的無損檢測。焊接后，保證防熱沖擊套管與安全端全焊透，并進行表面檢測，同時，確保防熱沖擊套管凸臺外徑與接管內壁堆焊層的定位徑向間隙在設計要求的公差范圍之內。

3.2 電加熱器的安裝

電加熱器的安裝對機加工和裝配工藝都提出了很高的要求。穩壓器底部球形封頭上的90個電加熱元件孔的鏜孔加工難度很大。因為孔數多，孔深各不相同，同時要求每個管孔相鄰兩孔間距公差不大于0.2mm，任意兩孔間距公差不大于0.5mm；而且在球形曲面上加工，更增加了機加工的難度。先在下封頭預加工孔，再在最終熱處理之后，對孔系進行精加工，可保證加工精度。用于支承電加熱器隔板的孔系與下封頭上對應貫穿加熱器套管孔系的位置精度應嚴格控制。因為電加熱器數量多，而且貫穿下封頭及上下隔板，所以為保證其順利裝配，采用定位芯軸配合裝配，保證上下隔板孔系與下封頭上相關孔系位置度的正確性。

電加熱器套管在下封頭上的位置度有嚴格要求，組焊后的套管應能保證電加熱器元件順利穿入。電加熱器套管與下封頭的裝配采用冷裝工藝，消除裝配間隙，減小套管位置度偏差，同時增加套管剛性防止撓曲變形，該裝配工藝的過盈量要求嚴格。焊接時采用專用脹接技術，克服套管焊接區的徑向收縮，保證套管的內徑尺寸公差。

3.3 接管與安全端異種金屬焊接

穩壓器各接管材料為508-Ⅲ鋼，現場主管道材料為不銹鋼，二者直接焊接難度較大。為降低接管與主管道現場連接的難度，在制造過程中，接管外端應提前焊有一段不銹鋼安全端。

在高溫工作條件下，不銹鋼與508-Ⅲ鋼的焊接接頭會因變形不均而產生較大的熱應力，故接管管嘴的端部一般堆焊鎳基合金，然后再與安全端相焊（見圖2）。鎳基合金的線膨脹系數及力學性能介于508-Ⅲ鋼與奧氏體不銹鋼之間。鎳基合金作為過渡層，使焊接接頭的局部變形得到協調，改善了接頭的受力狀態，熱應力減少，危害降低。在手工焊接過程中焊接質量往往受到人為因素的影響，采用熱絲TIG自動焊工藝，實現鎳基合金焊縫施焊過程的自動化控制，有效降低人為因素對焊接質量的影響。

4 結束語

穩壓器是核島一回路主設備，其尺寸大、制造要求高。本文介紹了核島穩壓器的主要功能、工作原理和結構特點，并結合穩壓器在制造過程中積累的經驗，分析了制造中的關鍵點、難點，為后續制造、技術升級及自主設計提供借鑒。

參考文獻

[1]馬進，王兵書，馬永光.核能發電原理[M].中國電力出版社.2006，22～23.

[2]鄭劍，詹可純，王振全等.秦山核電二期工程穩壓器的自主設計與國產化[J].核動力工程，2003，24（2）：168～172.

作者簡介：姓名：張婷，單位：一重集團大連設計研究院有限公司核電設備研究室，職稱：助理工程師。