蒸汽發生器高水位堵板設計優化分析*

王 麟，馮棟彥

(1.中核檢修有限公司，山東 青島 266404；2.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

蒸汽發生器是汽輪機所需蒸汽的換熱設備，對蒸汽發生器的檢修工作是核電站大修中關鍵的一環[1-3]。大修期間，需要通過一次側高水位堵板對蒸汽發生器主管道進行隔離，以保證核電站高水位時可同時進行蒸汽發生器內的其他檢修工作，節省大修時間。目前核電站蒸汽發生器一次側高水位堵板的安裝和拆除需要維修人員將可折疊的堵板帶入并手動擰緊螺栓。

筆者根據自主設計的堵板拆裝機器人及其末端夾具，對高水位堵板進行重新設計，設計內容包括堵板材質、外形結構、與機器手的配合方式等。通過研究現場實際使用情況，研制出與機器人配合良好的專用堵板，使之能夠快速安裝和拆卸，縮短作業時間，提高工作效率。并基于有限元分析方法，分析其在與密封膠囊貼合狀態下，膠囊內氣壓達到要求氣壓后的堵板受力情況，以此驗證此結構的可行性和合理性。

1 高水位堵板設計條件分析

1.1 蒸汽發生器空間約束

蒸汽發生器內部為一個球形腔室，中間一塊隔板將其分為兩個半球腔室，在兩個腔室各開有人孔及主接管接口(堵口)。在檢修維護時，高水位堵板需從人孔送入半球形腔室，再由機械臂或人工將其安裝到主接管密封環座上，并擰緊堵板上的螺栓，以隔斷從反應堆壓力容器帶來的冷卻劑[4-5]，蒸汽發生器內部腔室三維模型如圖1所示。

圖1 蒸汽發生器內部腔室

此次設計的蒸汽發生器為M310堆型，人孔直徑406 mm，堵口直徑1 054 mm。因高水位堵板需要由小直徑的人孔送入，然后安裝至堵口，故只能設計為折疊式或分離式結構。在原堵板的基礎上進行改造，初步改造分解成三塊堵板，中板和兩塊側板[6-7]。

1.2 機械臂負載約束

基于堵板拆裝機器人，選用的機械臂型號為新松GCR4-1400。該款機器人額定負載為14 kg，因機械臂末端夾爪、3d相機、夾具等零部件總重9 kg，雖將高水位堵板拆分為三塊板，但每一塊板重量應低于5 kg，且在保證強度的情況下，盡可能減少堵板的重量。

1.3 高水位堵板螺栓分布

堵板螺栓布置方式可能會對密封組件的密封效果(主要是密封組件根部的橡膠密封環)產生影響，考慮密封組件密封效果及堵板受力結構優化，采用如圖2所示螺栓分布。

圖2 堵板螺栓分布

1.4 結構強度要求

蒸汽發生器一次側高水位堵板通常由機械組件和密封組件組成，密封組件通常為橡膠件，是形成有效密封的核心部件，文中選用的密封組件外觀如圖3所示；機械組件主要為密封組件提供有效固定和支撐，也是需進行結構設計。密封組件是形成堵口密封的主要屏障，結構如圖4所示。

圖3 密封組件外觀 圖4 密封組件結構

堵板安裝完成后，需通過控制柜對干囊、濕囊以及環面這三個回路進行充氣，形成有效密封[8]。給干、濕兩個氣囊提供0.4～0.45 MPa的壓力。環面主要起到檢測是否形成有效密封的作用，需提供0.1～0.12 MPa壓力，若正常，其壓力穩定在設定壓力下，且流量為零。因此，在密封組件工作狀態時，高水位堵板機械結構不僅要滿足貼合要求，還需保證一定的強度。且在高水位堵板工作時，水源壓力約為1.56 bar。

2 結構設計分析

由前述分析，高水位堵板采用分離組合式的結構形式。為滿足機械安裝及沖擊載荷的要求，擬采用鋁合金6061板材作為主體結構材料。該材料具有加工性能極佳、抗腐蝕性良好、韌性高及加工后不變形等優良特點。

同時，設計新型堵板結構，改進組合形式，使兩邊側板放置時不僅可以簡易配合，還可以對中間板有一個壓制的力，使堵板中間板更加穩定。

機械臂末端結構如圖5所示，采用的夾爪為亞德客(AIRTAC)HFT20S手指氣動夾具，并設計對應的夾爪手指。需對每塊板均設有夾板以及對應的孔位以便與機器手夾持機構配合。

圖5 機械臂末端工具

針對以上結構分析情況，對堵板具體結構進行設計，三維模型如圖6所示，組合效果如圖7所示。

圖6 高水位堵板中間板及側板 圖7 高水位堵板組合示意圖

3 強度分析

分析可知，堵板側面與膠囊貼合處，受到膠囊工作狀態膨脹擠壓。主要為干、濕兩個氣囊的氣壓，大小為0.4～0.45 MPa。計算時取氣壓0.45 MPa，面積為三塊堵板組合后的總側邊的貼合面積，計算如下：

S1=πd×l=0.88π×0.08=0.221 2 m2

故堵板側邊受擠壓力為：

F1=4.5×105×0.221 2=99 540 N

堵板底部受力主要由密封組件和機械組件一起承受，其水源壓力約為1.56 bar，高水位堵板下表面總面積為：

S2=πr2=π×0.442=0.608 2 m2

只考慮堵板受全部水源壓力，此情況下堵板下表面受力為：

F2=1.56×105×0.608 2=94 879.2 N

基于SolidWorks對高水位堵板三維模型進行適當簡化，將簡化后的模型導入 Ansys Workbench 后，添加鋁合金6061性能參數到材料庫中[9]，其彈性模量為6.90E+10 N/m2，泊松比為0.33。

為了得到較好的計算結果，對堵板模型進行網格細化，細化網格后共有480 727個節點和98 177個元素，網格劃分模型如圖8所示。

圖8 網格劃分示意圖 圖9 堵板側邊載荷

根據實際安裝后的高水位堵板狀態，將堵板的螺栓所在面添加固定約束。并在堵板與密封組件接觸面及堵板下表面分別施加對應壓力，如圖9、10所示。加載載荷后，進行有限元分析，位移計算如圖11所示。

圖10 堵板下表面載荷 圖11 靜載荷位移計算

由位移分布圖可見，最大靜載荷在中間板上下兩邊位置，最大為0.39 mm，并且沿周圍方向逐漸減小，分析其位移情況主要受底部水源壓力影響，模擬水源壓力實際情況下，由密封組件與機械組件共同承受壓力，故設計堵板結構符合。

4 結 語

為研究滿足蒸汽發生器檢修期間的高水位堵板，重點對機械臂末端、環境尺寸、結構強度要求等進行了詳細分析。在此基礎上進行了結構形式設計，同時，高水位堵板工作狀態下，根據密封組件膨脹及水源對高水位堵板機械組件的壓力承載情況進行了強度校驗。有限元分析計算結果表明，堵板結構強度滿足在封堵情況下不會發生破壞的要求。文中設計的高水位堵板滿足現場使用要求，并適合機器人進行操作，可有效減少人工堵板受到的輻照劑量，提高核電檢修的智能化水平。