“華龍一號”ZH-65型蒸汽發生器研發

張富源,吳 琳,何戈寧,黃 偉,何勁松,李 磊

(中國核動力研究設計院,四川 成都 610041)

蒸汽發生器是核電廠最重要的設備之一,其主要功能是把反應堆冷卻劑從堆芯帶出的熱量通過SG的U形傳熱管傳遞給二次側的給水,產生合格品質的飽和蒸汽供發電;在停堆過程中或某些事故工況時帶出堆芯衰變余熱;防止放射性物質從一回路泄漏到二回路。因此,SG是反應堆冷卻劑系統的核安全一級主設備。

在2010年前,國內大、中型壓水堆核電廠的SG,如大亞灣核電站、嶺澳核電站的55/19B型SG、秦山二期 (包括秦山2期擴建、昌江)核電廠的60F型SG等,都是由外國公司負責設計的。2007年開始的國內自主設計的二代加改進型M310機組核電廠 (如紅沿河、寧德、陽江、方家山、福清1～4號機組)的改進型55/19B型SG,雖由我院自主設計,但無完全的自主知識產權,不具備出口條件。

“華龍一號”是我國自主研發的具有完全自主知識產權的第三代壓水堆核電技術,是用于實施國家核電走出國門戰略的核電自主品牌。“華龍一號”要走出國門,就必須攻克SG自主知識產權的難關。

1 設計技術研究

1.1 研發目標

完成具有自主知識產權的第三代核電蒸汽發生器自主研發。研發的蒸汽發生器應可用于 “華龍一號”工程項目,并應具備對外技術轉讓的條件。

1.2 總體設計研發思路

ZH-65型SG采用成熟技術,在國內已有蒸汽發生器設計的基礎上進行了改進設計。

重點追求設計、制造技術上的成熟性、安全性、可靠性、工程實用性及經濟性,技術上達到第三代壓水堆核電站SG的水平。

對關鍵部件以及蒸汽發生器總體熱工水力性能,均進行試驗驗證。

具有自主知識產權,具備出口及設計技術轉讓條件。

1.3 設計規范

按2007版RCC-M[1]進行設計、制造、檢驗和試驗。SG的一次側 (構成反應堆冷卻劑壓力邊界的)和二次側承壓邊界的設計規范等級均為1級。

1.4 結構設計

ZH-65型SG為立式U形管自然循環式蒸汽發生器。其總體結構如圖1所示,由兩大部分組成。第一部分為換熱部件,主要包括一次側水室、管板、傳熱管管束及、承壓殼體等。第二部分為在上部內置的汽水分離裝置部件,主要包括汽水分離器和干燥器等。

反應堆冷卻劑由進口接管進入下封頭進口腔室并進入U形傳熱管,換熱后返回下封頭出口腔室,經出口接管流出SG。二次側的給水由管束上方的給水接管進入SG,依靠自然循環,給水和再循環水沿管束套筒由下筒體的環形下降通道向下流動,在管板二次側表面附近進入傳熱管束區,并沿管束向上流動。在管束區,二次側流體被加熱,產生的汽水混合物沿管束上升進入旋葉式汽水分離器,最后經干燥器分離后蒸汽流出SG,分離出的水作為再循環水再次進入下降通道。

圖1 ZH-65型SG結構示意圖Fig.1 Schematic of ZH-65 SG

1.5 材料

U形傳熱管材料為耐腐蝕性能等優良的鎳-鉻-鐵合金 (簡寫為I-690TT)無縫鋼管。材料標準為M 4105。

管板和其他承壓件材料為錳-鎳-鉬合金鋼(18 MND5)。

內件材料的設計均采用國內標準 (GB標準或NB標準)牌號。

1.6 熱工水力設計

采用自主研發的設計軟件 (見本文第3章)進行SG的熱工水力設計。

1.7 應力分析

按照RCC-M規范要求進行應力分析和評價。

1.8 主要技術參數

ZH-65型SG的主要結構參數、主要技術指標及與55/19B型SG的比較見表1和表2。

表1 SG結構參數Table 1 Structural parameter of SG

續表

表2 SG主要技術指標Table 2 Main technical parameters of SG

可見,與二代加百萬千瓦級55/19B型SG相比,自主研發的ZH-65型SG具有更高的熱負荷,更大的蒸汽產量,更高的出口蒸汽壓力,更好的抗震性能,以及更長的設計壽命。

ZH-65型SG與國外三代核電某型SG性能參數比較見表3。可見,ZH-65型SG在汽水分離裝置出口蒸汽濕度、蒸汽壓力、功率重量比、設計壽命等主要參數指標上達到或超過了國外三代核電蒸汽發生器的水平。

表3 主要性能參數對比Table 3 Comparison of main perfor mance parameters

2 設計軟件研發

在ZH-65型SG的設計研發過程中,自主研發了SG相關專業設計所需的全套 (包括10個軟件,見表4)計算分析軟件,已獲得7項軟件著作權授權。完全具備了設計技術轉讓的條件。

表4 SG計算分析軟件包Table 4 Software package for calculation and analysis of SG

3 主要設計改進與設計驗證

3.1 主要設計改進

ZH-65型SG采用較小直徑傳熱管、并采用三角形布管,在相對于55/19B型SG下部筒體直徑基本不變的條件下、使總傳熱面積增大了近20%,結構更緊湊。

管子支承板 (TSP)的管孔采用完全自主設計的三葉梅花形管孔 (見圖2),流動阻力較小、腐蝕產物不易聚積;加強了傳熱管U形彎曲段的管子支撐,能防止或緩解在汽水兩相流橫向沖擊作用下產生微振磨損,提高傳熱管的使用可靠性、進而提高SG的使用壽命。

圖2 新設計的TSP三葉梅花形管孔結構Fig.2 Newly designed plu m blosso m shape tube hole structure of TSP

管束彎管段布置了4組 (55/19B型SG布置3組防振條)自主設計的防振條,可以有效防止傳熱管產生流致振動的風險。

旋葉式汽水分離器在國內有成熟使用經驗、有良好運行記錄的汽水分離器上進行了改進。采用自主設計的雙鉤型波形板干燥器,使汽水分離性能有了較大的提升。

3.2 設計驗證試驗

對上述重要設計改進以及蒸汽發生器總體性能進行設計驗證試驗,這些試驗均是大型熱工水力試驗,包括:

1)管子支承板水力特性試驗;

2)傳熱管束流致振動試驗;

3)汽水分離裝置試驗;

4)綜合性能試驗;

5)其他試驗。

目前,設計驗證試驗已經全部完成,實驗結果證明了ZH-65型設計的合理性,性能完全滿足設計要求。綜合性能實驗臺架如圖3所示。

圖3 綜合性能試驗臺架Fig.3 Co mprehensive perfor mance test rig

4 關鍵材料及零部件研制

4.1 ?17.48鎳-鉻-鐵合金傳熱管研制

U形傳熱管是蒸汽發生器最關鍵的零部件之一,但之前第三代核電SG傳熱管均依賴進口。為了實現ZH-65型蒸汽發生器鎳基690合金U形傳熱管的國產化,解決出口蒸汽發生器的傳熱管從國外采購受限的問題,與國內制造廠聯合開展?17.48 mm×1.02 mm規格的690合金U形傳熱管研制,并通過研制成果鑒定。鑒定意見認為,研制管技術性能指標達到國外同類管材先進水平,部分性能優于國外水平。目前,研制件已應用于 “華龍一號”工程項目。

4.2 SG大型承壓鍛件研制

ZH-65型SG合理的提高了對承壓邊界大鍛件的部分技術要求,如提高斷裂韌性要求值等。協助國內制造廠掌握并固化ZH-65型SG大鍛件的制造工藝,實現ZH-65型SG大鍛件的國產化,解決了出口蒸汽發生器大鍛件從國外采購受限的問題。目前,研制件已應用于 “華龍一號”工程項目。

4.3 膨脹石墨密封墊片研制

膨脹石墨密封墊片是目前國內外蒸汽發生器人孔等廣泛使用的密封性能較先進的新型密封墊片,但之前還依賴進口。為解決國產化問題,與國內制造廠完成了膨脹石墨密封墊片聯合研制工作并完成了成果鑒定。目前,研制件已應用于“華龍一號”工程項目。

4.4 金屬保溫層研制

目前國內,在運行壓水堆核電站的蒸汽發生器均采用傳統的石棉纖維保溫層。ZH-65型蒸汽發生器采用自主設計的、較先進的不銹鋼金屬保溫層。為解決國產化問題,與國內有關制造廠完成了蒸汽發生器用金屬保溫層聯合研制工作并完成了成果鑒定。目前,研制件已應用于 “華龍一號”工程項目。

4.5 核級螺紋襯套研制

螺紋襯套是核承壓設備檢修用的一個必備的關鍵零件。其技術要求高、制造技術難度大。目前國內核設備制造廠、核電廠檢修核設備用的螺紋襯套主要從國外采購。為了實現螺紋襯套設計自主化、制造本地化,同時解決我國核設備出口受限問題,與國內制造廠共同完成了螺紋襯套研制工作,并已通過成果鑒定。

5 主要設計特點

與55/19B型SG相比,ZH-65型SG的主要設計特點如下:

1)采用了較小外直徑 (?17.48 mm)的U形傳熱管,可在相同外形尺寸下增大SG傳熱面積、使結構更緊湊。

2)適當提高了對傳熱管的技術要求,如提高傳熱管的內渦流檢測信噪比驗收指標以提高傳熱管的在役可檢測性。傳熱管名義壁厚值減小約4%(從1.09 mm減小到1.02 mm),在其他條件相同時,可提高傳熱管的使用可靠性。從而可提高SG的使用壽命。

3)管子支承板采用自主設計的三葉梅花形管孔新結構。使腐蝕產物更不易在該部位聚積。試驗證明[2],該設計局部流動阻力較小。

4)加強了傳熱管U形彎曲段的管子支承,提高了防振條加工和安裝技術要求,以防止或緩解由流致振動造成的傳熱管降質風險。

5)對旋葉式汽水分離器上進行了改進,干燥器采用自主設計的雙鉤型波形板干燥器。驗證試驗結果表明,該設計能滿足出口蒸汽濕度的設計要求。

6)提高了抗震設計載荷要求 (0.3g)。

7)對SG內部給水裝置進行了改進,設計了傾斜向上的給水母管、改進了給水環支承結構。能有效避免水錘、熱分層等不利現象的發生。

8)在頂部管子支承板高度位置增設了檢查孔。一次側人孔、二次側的人孔、手孔和檢查孔采用密封性能更可靠的自主研制的石墨密封墊片。

9)采取多方面的措施提高了SG的固有可靠性、滿足60年使用壽命要求。

6 主要研發成果與應用

6.1 研發成果

ZH-65型SG的主要研發成果如下:

1)全套詳細設計圖紙,設備制造廠制造、檢驗和試驗相關的主要技術文件;

2)SG設計計算報告 (強度設計計算、熱工水力計算、應力分析);

3)完成了配套的SG設計用計算分析軟件。獲得7項軟件著作權授權;

4)建成了4臺/套大型SG實驗研究裝置,進行了設計驗證所需的驗證試驗,完成了相關試驗研究報告;

5)完成了U形傳熱管、大型鍛件、膨脹石墨墊片、金屬保溫層等研制件的研制總結報告、成果鑒定報告,制造了研制件樣件;

6)技術專利。

獲得7項發明專利,3項實用新型專利授權。2016年,發明專利 “一種蒸汽發生器傳熱管直管段支承板”,獲得國家知識產權局頒發的第十八屆中國專利優秀獎。

6.2 應用情況

2012年12 月,東方電氣 (廣州)重型機器有限公司簽訂了福清5、6號共6臺ZH-65型SG制造合同,并于2014年8月28日,開工制造。

2013年8 月,哈電集團 (秦皇島)重型裝備有限公司簽訂了出口巴基斯坦的K2/K3核電機組共6臺ZH-65型SG制造合同,并于2014年8月開工制造。

2017年7 ,K2核電工程項目的3臺ZH-65型SG驗收合格并發往巴基斯坦。

7 結束語

ZH-65型SG的研發實現了預期目標。該型SG的設計在技術上達到第三代PWR核電站SG的水平,且具有完全自主知識產權。該型SG的成功研發突破了SG設計的技術瓶頸,是對 “華龍一號”技術走出國門的有力支持,將創造了良好的經濟效益和顯著的社會效益。

[1]壓水堆核島機械設備設計和建造規則:RCC-M[S]．2007．

[2]熊挺,文博.蒸汽發生器管子支承板水力特性試驗研究 [C]．中國核能行業協會.2013年首屆核電廠蒸汽發生器技術研討會論文集,2013．