CAP1400蒸汽發生器管束研發

應秉斌

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

蒸汽發生器是連接壓水堆核電廠一回路和二回路的關鍵設備，它將核電廠核裂變產生的能量傳遞給二回路，并產生飽和蒸汽和飽和水混合物，汽水混合物經過汽水分離裝置的分離變成干蒸汽，推動汽輪機做功[1]。

蒸汽發生器U形傳熱管束是一回路承壓邊界的一部分，用于防止一回路冷卻劑放射性物質泄漏到二回路。根據核電廠的多年運行經驗反饋，壓水堆核電廠的非計劃停堆約四分之一是因為蒸汽發生器設計、制造和運行不當引起。其中蒸汽發生器U形傳熱管損壞是核電廠停堆事故中最主要原因[2]。

本論文介紹了CAP1400蒸汽發生器的設計特點、功能、參數，并詳細介紹水室封頭、管板、傳熱管、上封頭、管束、汽水分離裝置等主要部件。詳細介紹了管束研發過程中開展的科研工作。

1 設計特點

CAP1400蒸汽發生器為立式、倒U形傳熱管和汽水分離裝置于一體的自然循環蒸汽發生器。CAP1400蒸汽發生器在正常運行時，給水通過蒸汽發生器上筒體中帶噴嘴的給水環進入蒸汽發生器。給水環的標高比給水管嘴高以消除給水管嘴部位的熱分層。進入蒸汽發生器的給水與從蒸汽分離出來的飽和水混合形成蒸汽發生器下降段的過冷水。過冷水在殼體和管束套筒間的環狀區域向下流，并通過套筒底部與管板之間大約340mm高的窗口進入傳熱管區域。然后改變流向，向上流經U形管束。當二次側的流體往上流動時，它被一次側流體通過U形管壁傳出的熱量加熱，變成飽和的汽水混合物。該汽水混合物繼續向上流動，進入初級汽水分離器。

兩相流離開管束進入帶旋流葉片的初級汽水分離器，它們由帶旋流葉片的一級分離器和帶鉤波形板的二級分離器組成。旋流葉片對汽水混合物施加離心力，導致較重的水沿內筒內壁聚集流出分離器，分離后的蒸汽帶著少量的水分進入二級分離器，最終分離后的蒸汽離開初級分離器進入汽空間，分離后的水流回到水空間，與給水匯合進入下筒體與管束套筒間形成的環形下降通道。

進入汽空間的蒸汽經重力分離，然后進入單層的次級汽水分離器。次級汽水分離器由8組帶鉤波形板片組構成，能分離汽水混合物中剩余的水分。然后分離后的水分沿波形板片向下流到疏水槽中，再通過疏水管流到水空間。蒸汽流出次級分離器，然后通過蒸汽出口管嘴離開蒸汽發生器。

CAP1400蒸汽發生器主要特點如下：

蒸汽發生器與主泵直接連接。

水室封頭內部形狀和內疏水結構的設計可將一次側水疏干。

傳熱管內表面粗糙度要求提高，以及水室封頭內表面電拋光提高表面光潔度，從而可減少蒸汽發生器一次側帶放射性的腐蝕產物的沉積，以及減小一次側壓降。

傳熱管為經過特殊熱處理的690合金。

蒸汽發生器人孔螺栓可采用螺栓拉伸機進行預緊。

給水環連接管采用向上的彎管，給水噴管在給水環的頂部以消除熱分層和水錘的發生，以及使用獨立的啟動給水管。

一次側人孔密封裝置同時具有兩種不同的密封方式，在正常情況下，采用密封墊片密封，當密封面有缺陷不能及時修復時，可采用密封蓋板與人孔座間的密封焊密封。

蒸汽發生器傳熱管與管板采用全深度液壓脹管和密封焊連接。

傳熱管與管束彎頭抗振條的間隙，以及與管子支承板孔間隙更緊，以提高傳熱管抗流致振動和地震的能力。

采用高效率的汽水分離裝置，以降低出口蒸汽濕度。

CAP1400蒸汽發生器通過結構選型、材料設計、焊接設計、熱工水力分析、應力分析、科研試驗等工作，完成了設計研發工作。其主要技術參數見表1。

表1 設計參數

表1(續)

2 設備分級

CAP1400蒸汽發生器設計的標準規范主要包括國內核安全法規、ASME規范、RG導則及國內標準等。其主要零部件的安全分級、質量分級和抗震要求見表2。

表2 蒸汽發生器主要零部件的安全分級、質量分級和抗震要求

3 結構特點

CAP1400蒸汽發生器主要零部件由水室封頭、管板、筒體、管束和汽水分離裝置組成。

結構簡圖如圖1所示。

圖1 CAP1400蒸汽發生器簡圖

3.1 傳熱管

蒸汽發生器U形傳熱管的面積是一回路壓力邊界總面積的80%左右，U形傳熱管是整個一回路壓力邊界中最薄弱的部分，對保障核電廠安全運行極為重要[3]。為提供傳熱管的可靠性，對抗腐蝕性能提出了很高的要求。CAP1400蒸汽發生器 U形傳熱管選用Inconel 690合金，傳熱管壁厚是1.01mm，外徑是17.48mm。U形傳熱管如圖2所示。

圖2 U形傳熱管

3.2 管板

管板是一二回路的分界面，支撐著傳熱管，是一回路設備中最厚的大型實心鍛件。CAP1400蒸汽發生器管板的芯部厚度為860mm，SA-508 GR.3 CL.2鋼鍛造而成，管板一次側表面堆焊6.6mm厚的鎳基合金，以保證管子-管板的焊接性能。管板如圖3所示。

圖3 管板

3.3 水室封頭

水室封頭承受一回路的17.48MPa的設計壓力，并在水室封頭上開設了冷卻劑進出口管嘴，是蒸汽發生器中受力最復雜的部件，通常選用半球形結構[4]。CAP1400蒸汽發生器水室封頭采用SA-508 GR.3 CL.2鋼鍛件，內表面堆焊6mm厚度的不銹鋼。水室封頭設置兩個出口與主泵直接連接，設置一個進口連接熱段主管道。水室封頭被水室隔板分割成兩個腔室，每個腔室設置一個直徑450mm的人孔。水室封頭如圖4所示。

圖4 水室封頭

3.4 上封頭

蒸汽發生器上封頭選用碟形封頭，內徑為6120mm，主蒸汽出口接管位于封頭上部，是一體化鍛造而成。蒸汽出口接管開有19個文丘里孔，用以現在主蒸汽管道破裂事故工況下蒸汽突然大量外流。

上封頭采用SA-508 GR.3 CL.2鍛件，文丘里管采用Inconel 690合金鍛件。

3.5 汽水分離裝置

CAP1400蒸汽發生器的上部設有汽水分離裝置。汽水分離裝置包括初級分離器和干燥器組成。CAP1400蒸汽發生器的初級分期為旋葉式分離器(其型號為SP3型初級分離器)和單層八組干燥器組成(其型號為P3X型干燥器)。SP3型初級分離器如圖5所示，P3X型干燥器如圖6所示。

圖5 SP3初級分離器圖

圖6 P3X1400型干燥器圖

3.6 管子支承板和抗振條

為保持傳熱管的間隙，防止傳熱管的過度機械振動和水力振動，在傳熱管直管段設置了支撐板。CAP1400蒸汽發生器設置10塊支承板，在每塊支承板上開三葉孔，三葉孔如圖7所示，其采用405不銹鋼。

抗振條有7組，裝在U形傳熱管彎頭區，限制U形傳熱管在平面內和平面外的位移，抵抗U形傳熱管的流致振動，抗振條材料為405不銹鋼。

圖7 支承板三葉孔圖

4 管束研發工作

4.1 CAP1400傳熱管動態特性試驗及裝置

開展了蒸汽發生器傳熱管動態特性試驗，測定管束中不同彎曲半徑傳熱管的固有頻率和振型，研究多種因素對頻率和振型的影響，并與計算結果相互校核。考慮的影響因素包括水對傳熱管動態特性的影響，管板、支承板和抗振條等約束條件對蒸汽發生器傳熱管的動態特性影響，以及管束中各傳熱管之間的相互影響。為此設置三項試驗內容：單根傳熱管的動態特性試驗研究、管束動態特性影響的試驗研究(水中)和傳熱管束的動態特性試驗研究(空氣中)。傳熱管單管動態特性試驗試驗如圖8所示。

圖8 傳熱管單管動態特性試驗圖

4.2 CAP1400蒸汽發生器二次側下部流場和排污試驗

CAP1400蒸汽發生器二次側下部流場及排污試驗分為流場試驗、排污裝置阻力試驗和排污試驗三種類型。

流場試驗，在不同循環流量下測量了試驗件各部位的壓降和管廊區的橫向流速，將試驗結果和CFD計算結果對比表明，計算結果和試驗結果符合良好，試驗驗證了CFD計算模型(方法)的合理性，通過該模型，掌握了蒸汽發生器近管板表面流動特性。排污裝置阻力試驗，試驗了不同排污裝置排污管阻力特性，掌握了排污孔數量對排污壓降的影響；并試驗對比了有無喇叭口對排污壓降的影響，掌握了喇叭口對排污裝置壓降的影響。

排污試驗如圖9所示，在不同循環流量和不同泥渣粒徑的條件下，進行了單邊排污和雙邊排污試驗。試驗驗證了單邊排污的合理性，并對比了單邊排污結構和雙邊排污結構泥渣沉積區域，掌握了單邊和雙邊排污結構設計對排污性能的影響。

圖9 排污試驗圖

4.3 CAP1400蒸汽發生器液壓脹管性能試驗

開展了CAP1400蒸汽發生器液壓脹管性能分析，獲得管子-管板孔間隙、脹接長度、脹接壓力、保壓時間、管孔缺陷及熱處理溫度等對脹管性能的影響，得到的初步分析結果為CAP1400蒸汽發生器液壓脹管試驗提供指導性意見。

開展了CAP1400蒸汽發生器液壓脹管性能試驗，獲得了脹接壓力、保壓時間對脹管性能的影響；脹接長度對脹管性能的影響；管孔缺陷對脹管性能的影響；熱處理溫度對脹管性能的影響。液壓脹管試驗如圖10所示。

圖10 CAP1400蒸汽發生器液壓脹管試驗圖

4.4 CAP1400蒸汽發生器管束流致振動分析

采用蒸汽發生器二次側三維兩相專用分析軟件進行分析計算，獲得CAP1400蒸汽發生器管束區的流速。以此為輸入進行流致振動分析計算，獲得流體彈性激勵、湍流激勵、漩渦脫落激勵下的應力值。分析結果表明CAP1400蒸汽發生器管束流致振動是可以接受的。

5 結語

CAP1400蒸汽發生器的管束設計開發過程中，課題組完成了蒸汽發生器傳熱管動態特性試驗、二次側下部流場及排污試驗和液壓脹管分析及試驗，完成了CAP1400蒸汽發生器管束設計。

[1] 臧希年，申世飛.核電廠系統及設備[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] 《蒸汽發生器》編寫組.蒸汽發生器[M].北京：原子能出版社，1982.

[3] 鄭明光，杜圣華.壓水堆核電站工程設計[M].上海：上海科學技術出版社，2013.

[4] 孫漢虹,程平東，繆鴻興,等.第三代核電技術AP1000[M].北京：中國電力出版社，2009.

(本文文獻格式：應秉斌.CAP1400蒸汽發生器管束研發[J].山東化工，2018，47(02)：16-19.)