壓水堆堆內壓緊彈簧性能研究與分析

王仲輝 胡朝威 趙 偉 吉文浩 呂新知

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

壓緊彈簧是反應堆堆內構件的重要部件之一，其能在不同工況下為壓緊堆內構件提供所需的壓緊力，并補償壓力容器和堆內構件法蘭制造、裝配以及熱膨脹引起的偏差，阻止上部堆內構件和下部堆內構件因受到各載荷而引起的軸向移動，保證堆內構件在各工況下發揮正常功能。

本文基于壓緊彈簧的結構特性，分析了壓緊彈簧所受載荷和壓緊力的計算，對壓緊彈簧剛度的影響因素進行了研究，基于研究分析結果，為壓緊彈簧的結構設計提供一定參考。

1 壓緊彈簧結構簡介

壓緊彈簧位于堆內構件吊籃法蘭上表面與上支承法蘭下表面之間，具體安裝位置如圖1 所示，吊籃法蘭上表面根據壓緊彈簧結構設置相應下沉臺階用于壓緊彈簧安裝和初步定位，吊籃法蘭置于壓力容器筒體凸臺上，并與壓力容器頂蓋配合實現壓緊彈簧定位和預緊。

壓緊彈簧是截面呈一種軸對稱結構的“Z”形壓緊圓環，在上表面外側和下表面內側均設計有中心對稱的圓弧凸起接觸結構， 上表面內側有一定傾斜的倒角。 壓緊彈簧采用馬氏體不銹鋼材料，其設計溫度為343.3 ℃，安全等級為 LS 級，抗震類別為Ⅰ級[1]，長期工作于反應堆內部高溫、高壓、高輻射的惡劣工況。

圖1 壓緊彈簧安裝位置圖

在反應堆安裝時，壓力容器頂蓋通過主螺栓擰緊頂蓋時， 通過上支承法蘭同時對壓緊彈簧進行預緊，壓緊彈簧的壓緊力一方面作用于吊籃法蘭上表面，防止下部堆內構件運行時發生向上竄動，另一方面作用于上支承法蘭下表面，防止上部堆內構件運行時發生向下竄動，同時在運行時可通過壓緊彈簧壓縮量補償壓力容器和堆內構件法蘭制造、裝配以及熱膨脹引起的變形，壓緊彈簧的壓緊力根據設計需求進行調整控制，從而保證堆內構件的定位與功能。

2 壓緊彈簧性能分析

2.1 壓緊力分析

反應堆運行時，堆內構件受自身重重力、浮力、水力沖擊載荷和燃料組件相關作用力等，壓緊彈簧的壓緊力通過吊籃法蘭、 上支承法蘭分別對下部堆內構件、上部堆內構件的作用力進行平衡，以確保堆內構件被壓緊，壓緊彈簧的受力如下圖2 所示。

圖2 壓緊彈簧受力示意圖

在穩態運行時，壓緊彈簧受較大的壓緊力，其受壓變形的力學模型可簡化為梁受力模型[2]，壓緊彈簧上、下面兩個接觸點等效為施力點，彈簧截面中心面定義為中性面，結合壓緊彈簧結構尺寸，根據材料力學推導，壓緊彈簧壓緊力F 與軸向變形量δ 之間的關系為：

式中：F—壓緊彈簧壓緊力；

δ—壓緊彈簧軸向壓縮量；

E—壓緊彈簧材料彈性模量；

I—壓緊彈簧斷面對中性軸的慣性矩；

L—壓緊彈簧上、下表面接觸點之間徑向距離；

D0—壓緊彈簧平均直徑。

上式中，L、B、H、D0具體示例見上圖2 所示，由此壓緊彈簧的剛度可以定義為4πEI/（L2D0），在所用結構材料確定的前提下，壓緊彈簧的壓緊力由彈簧剛度和壓縮量決定，壓縮量的確定與堆內構件、壓力容器整體結構配合尺寸的要求有關， 因此在壓縮量一定時，需通過控制壓緊彈簧剛度以滿足壓緊力要求。

2.2 性能影響因素分析

從上文分析可知，彈簧剛度與壓緊彈簧結構設計相關，在材料一定的前提下，根據定義的彈簧剛度計算方程，其與結構中性軸慣性矩、上下接觸點之間徑向距離、壓緊彈簧平均直徑，其中，中性軸慣性矩由壓緊彈簧本身結構決定，即與壓緊彈簧的寬度B、高度H有關，下面將以目前國內運行的某核電反應堆壓緊彈簧結構尺寸為基礎，對各參數的變化影響進行分析。

對于壓緊彈簧外形尺寸的影響，在保持其他結構尺寸不變前提下，通過改變壓緊彈簧的寬度B、高度H尺寸，獲得其與壓緊彈簧剛度的關系曲線如圖3 和圖4 所示。

圖3 壓緊彈簧寬度與剛度的關系

圖4 壓緊彈簧高度與剛度的關系

由圖3 和圖4 可以看出， 在其他結構尺寸一定的情況下，壓緊彈簧的剛度隨著其寬度B、高度H 增加而不斷提高，因此在壓緊彈簧結構設計時，可通過控制壓緊彈簧的外形尺寸來調整彈簧剛度值，以滿足堆內構件設計對壓緊彈簧的壓緊力的要求。

在式（1）和分析中，并未考慮壓緊彈簧與吊籃法蘭及上支承法蘭表面接觸的水平摩擦力影響，但在實際制造和運行中，上下接觸表面并非光滑，有一定粗糙度，存在水平摩擦力，根據相關推導，將公式（1）改進為：

式中：μ—接觸摩擦系數；

C—接觸點到中性軸距離。

對于水平接觸摩擦力的影響，在保持結構尺寸不變前提下，改變壓緊彈簧與吊籃法蘭及上支承法蘭表面接觸的摩擦系數，獲得摩擦系數與彈簧剛度的關系曲線如圖5 所示。

圖5 摩擦系數與壓緊彈簧剛度的關系

由圖5 可以看出， 在壓緊彈簧結構尺寸一定時，壓緊彈簧的剛度隨著接觸面摩擦系數增加而不斷提高，目前根據在役核電反應堆經驗反饋，通常摩擦系數取值在0～0.6 范圍內較為貼近工程實際， 因此壓緊彈簧結構設計和制造時，應根據實際情況對壓緊彈簧表面粗糙度進行合理選擇以便控制接觸摩擦系數。

對于壓緊彈簧上下接觸點之間徑向距離的影響，基于考慮摩擦系數的計算公式（2），分別取摩擦系數為0、0.3 和0.15，在保持其他結構尺寸不變前提下，改變壓緊彈簧上下接觸點之間徑向距離，獲得不同摩擦系數下，其與壓緊彈簧剛度的關系曲線如圖6 所示。

圖6 壓緊彈簧上下接觸點之間徑向距離與彈簧剛度的關系

由圖6 可以看出，在其他結構尺寸一定時，各摩擦系數下的壓緊彈簧剛度均隨著上下接觸點之間徑向距離增加而不斷降低， 在壓緊彈簧結構設計時，除可控制壓緊彈簧的外形尺寸外，也可通過控制壓緊彈簧上下接觸點之間徑向距離來調整壓緊彈簧剛度，因此需綜合考慮結構、安裝位置、所需載荷等因素確定壓緊彈簧的結構設計尺寸。

3 結語

壓緊彈簧工作于高溫高壓環境，長期受較大軸向壓緊載荷作用，其對堆內構件定位、功能和反應堆安全運行具有重要影響。 本文對壓緊彈簧的結構特點和受力情況進行了分析，基于機械設計和材料力學推導確定了壓緊彈簧壓緊力計算方法，完成了壓緊彈簧設計影響因素的分析。

通過本文的研究結果表明，影響壓緊彈簧剛度性能的因素有材料的特性、接觸摩擦系數、彈簧截面形狀及上下接觸點之間徑向距離等。 在相關結構尺寸和材料一定的情況下， 壓緊彈簧的剛度隨著彈簧寬度、高度和摩擦系數的增加而提高，隨著上下接觸點之間徑向距離的增加而降低， 設計時應結合吊籃法蘭、 上支承法蘭的強度及相關部件的空間位置尺寸確定合理的壓緊彈簧結構設計尺寸， 確保堆內構件在各工況下的正常功能。 通過本文的分析計算，為反應堆堆內壓緊彈簧的合理設計提供了方向， 具有一定參考意義。