反應堆壓力容器筒體保溫層結構間隙對保溫效果的影響分析

張亞斌 邱天 羅英 李玉光 周高斌

摘 要

評價金屬保溫層熱性能的經驗公式方法，對于保溫層支承結構和保溫層間隙超差問題難以實現有效評價。使用ANSYS Fluent軟件對華龍一號筒體保溫結構開展仿真分析，分析存在一定熱態間隙情況下的漏流情況，間隙越大，漏流量占入口風量的比例就越大;基于間隙漏流量計算結果，進一步分析間隙尺寸和入口風量等泄熱敏感參數對筒體保溫結構的傳熱影響，提出保溫結構設計中降低間隙泄熱影響的措施。

關鍵詞

壓力容器;筒體保溫層;結構間隙;保溫效果

中圖分類號： TL351.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.036

Abstract

The empirical formula method was used to evaluate the thermal properties of the insulation，but it is difficult to evaluate the support structure and the overmuch gap on the insulation.ANSYS Fluent is used to simulate the barrel insulation structure of HPR1000.The wider the structure gap is，the more the proportion of flow leakage rate caused by certain hot gaps is in inlet air volume.Furthermore，based on the calculation results of flow leakage，the influence of heat leakage sensitive parameters such as gap size and inlet air volume on heat transfer performance of barrel insulation structure is analyzed.In the design of the barrel insulation structure，measures to reduce the effect of heat leakage caused by gaps are discussed.

Key Words

Reactor pressure vessel;Barrel insulation structure;Structure gap;Heat insulation effect

0 前言

華龍一號具備能動與非能動相結合安全特征的三代核電技術，反應堆壓力容器（RPV）采用金屬反射型保溫層，包覆整個RPV。在應對堆芯熔化的嚴重事故方面，設置了堆腔注水冷卻系統（CIS），保溫層與RPV外表面共同形成一個特定的環腔，冷卻水從位于保溫層底部的注水管進入該環腔并冷卻壓力容器，避免RPV熔穿。

結構設計的改進對保溫層熱性能帶來極大的影響。保溫層除考慮自身的熱損失不能超出設計要求外，還要考慮保溫層支承與預埋件連接后，混凝土溫度也不能超出限值。此外，結構改進和安裝工序調整也帶來現場安裝難度的大幅增加，易出現尺寸超差或冷態間隙超差。在工程上，出現過保溫層間隙過大導致堆坑出口風量降低、堆坑通風溫度報警等問題。

以往未設置CIS的堆型，通常用傳熱試驗結合經驗公式對保溫層熱損失進行評價。經驗公式法評價模型單一，對保溫層支承及其穿出保溫層的接縫等局部重要結構，只能做大量簡化處理以及保守分析，而遇到保溫層間隙超差、間隙漏流之類的現場安裝問題時，則難以有效的評價。

本文同樣采用傳熱試驗獲取保溫層導熱系數，針對華龍一號筒體保溫結構使用ANSYS Fluent軟件開展仿真分析，分析存在一定熱態間隙情況下的間隙漏流情況和間隙泄熱情況，以分析華龍一號筒體保溫結構的性能，為后續設計和工程問題處理提供借鑒。

1 保溫層傳熱機理及傳熱試驗

1.1 傳熱機理

RPV用金屬反射型保溫層是在不銹鋼殼體內放置若干層不銹鋼箔片。不銹鋼箔片表面光潔具備較高的反射率，可以將大部分RPV的熱輻射反射回去，從而大幅削弱輻射換熱;同時箔片在殼體內的布置應盡量降低熱傳導面積，并抑制箔片間夾層的對流換熱。

筒體保溫結構對應的RPV筒體和下封頭部分外徑均大于1000mm，可將保溫層自身的傳熱簡化成平壁導熱模型[1]。根據ASTM C680[2]，對于平壁導熱模型，有：

式中，Qi為各保溫層組件熱損失，qi為各保溫層組件熱流密度，Ai為各保溫層組件冷面換熱面積，Ti為保溫層熱面溫度，To為保溫層冷面溫度，δ為保溫層厚度，λs為保溫層平均導熱系數。無論采用經驗公式法還是軟件仿真分析，λs都是開展保溫層傳熱分析的關鍵參數[3][4]，通常采用傳熱試驗測量該系數[5]。

1.2 傳熱試驗

1.2.1 試驗樣件及裝置

傳熱試驗按照ASTM C1061[6]進行，測定保溫層樣件在不同溫度下的導熱系數。試驗樣件型式為T型接頭，由2件900mm×900mm和1件1800mm×900mm拼接組成長1800mm×寬1800mm的樣件。樣件分別有不同厚度，包括85mm、100mm、115mm、155mm、180mm、200mm、215mm和240mm。