压水堆核电厂循环水鼓形滤网轻量化设计与可靠性研究

一、引言

压水堆核电厂必须尽可能地保持连续运行，以实现利润最大化，同时必须保证核安全，必须严格控制致命缺陷的发生，避免非计划性的停机停堆事件。秦山二期扩建工程3/4#机组循环水鼓形滤网采用了新型人字型结构进行了轻量化设计改进以减轻负荷，在降低制造运行成本的同时，期望可提高设备运行可靠性。鼓形滤网自运行以来，总体运行良好，但也出现了一些问题。现象一：现场观测其在循环水流冲击下自转速度超过了设备设计低转速(5米/min),有时甚至超过其设计高转速(16米/min)。现场实际表现为鼓形滤网在运行时受到流场驱动，表现为本体大齿轮带动电机小齿轮运转，电机反而起到阻碍其运动的作用。现场观测鼓形滤网转速与实际转速吻合，电机运行平稳。现象二：鼓形滤网运行两个换料循环后，现场还产生了轮毂出现裂纹的缺陷。此缺陷的产生与前述运行机制改变是否有关联，能否有办法针对性进行改进，这种轻量化设计是否确实提高了设备运行的可靠性，需要从理论和工程实际两方面来评估。

二、鼓形滤网的功能和参数

鼓形滤网是压水堆核电站循环水系统取水部分的主要过滤设备。功能是将海水中经格栅处理后的细小杂质去除，以保证后续的水泵和传热设备的正常运行。主要参数如下：

型号： GWNS-19x5型

单机组数量： 2台

介质： 海水

水流方式： 网内进水，网外出水

设计流量： 19m3/s

设计最大过网流速： 0.8m/s

鼓形滤网直径： Φ19m

鼓形滤网宽度： 5m

鼓形滤网有效宽度： 3.958m

网孔孔径： Φ4.2mm

网板线速度： 5/15m/min

极限设计水位差： 1.5m

低速运行水位差： ≤0.2m

高速运行水位差： >0.2m

第一次报警水位差： 0.3m

第二次报警水位差： 0.5m

安全等级： NC

规范等级： NA

质保等级： Q3

抗震类别： NO

主要结构： 人字形

图1 鼓形滤网骨架图

三、鼓形滤网轻量化设计改进

秦山二期扩建鼓形滤网在设计上相对于秦山二期鼓形滤网有多达18项改进，通过提高设备本身的整体骨架设计并满足相关的强度、刚度计算，从而降低了设备重量超过25%，有效降低了设备运行载荷，理论上在降低工程造价同时有利于提高设备可靠性。其中在结构上主要改进如表1所示。

四、鼓形滤网强度、刚度计算

对鼓形滤网进行有限元网格划分，对轮毂和主横梁使用位移三次插值实体模拟，以获得高精度的应力。主轴、主辐条、副辐条、副横梁、支撑梁I、支撑梁II、齿圈固定槽、边框架、连接管、连接角钢属于细长型结构，使用六自由度的三维梁单元模拟就可以获得很高的精度。主轴梁单元与轮毂壳单元的连接使用了刚平面假设位移约束方程的方法，以模拟实际情况。边界条件为:主轴一端结点三个线位移固定，另一端结点两个线位移固定(沿轴向线位移自由)。鼓形滤网材料的机械性能常数如表2所示，力学计算强度和刚度的主要结果如表3、图2和图3所示，证明了轻量化设计满足力学要求。

表1 鼓形滤网主要改进项对照表

表2 鼓形滤网材料机械性能常数

表3 最大水压力下工作工况下鼓形滤网主要部件应力

图2 最大水压力下工作工况鼓形滤网应力云图

图3 最大水压力下工作工况鼓形滤网轮毂应力云图

五、鼓形滤网自转机理分析

鼓形滤网的运行受力主要由循环水泵运行吸力产生的流场驱动力、电机驱动力以及轴承等摩擦阻力组成，轻量化设计之后，其运转方式在高低潮水位下运行受力情况发生了明显的变化。由于人字形结构的设计，受吸力流场的影响以及设备重量减轻载荷的降低导致设备摩擦阻力变化，需要分析新设计鼓形滤网在运行工况下的受力导致鼓形滤网在低速运行时自运转机制产生的原因。

(一)鼓形滤网高潮水位时受力计算。根据流道中流场定性分析，鼓形滤网在高潮水位时所受水流影响更大，因此只针对高潮水位时的受力情况进行计算：第一，按最高潮水位61.1m计算；第二，以其常用的低速转动时线速度为5m/min的工况进行计算；第三，根据鼓网进水流道流场模拟出进水流速方向为15度；第四，对现场的一些具体条件进行了简化处理，忽略设备本身对流场的影响、缩短进水口的流道长度、忽略网板厚度。

计算方法为：一是利用数值模拟方法，计算没有鼓形滤网时的流场；二是利用绕流理论计算鼓形滤网主辐条、副辐条、主横梁、副横梁所受到的力矩，规定逆时针的力矩为负，顺时针的力矩为正。

1.数值计算忽略鼓形滤网情况下的流场。采用k-ε紊流模型计算没有鼓形滤网情况下的流场，水面采用VOF法处理。计算区域和计算网格如图4所示，包括进口、腔体和出口，为了计算的需要，出口向x方向进行了延程。

图4 鼓形滤网流道计算区域及网格

水面高度约为61.1m，经过数值模拟，得到流道内的流场，利用数值插值，得到辐条处中心点流场，如图5所示。

2.计算水流作用于低转速鼓形滤网的力矩。将鼓形滤网加入流场后，流场对其作用力矩主要影响主辐条、副辐条、主横梁、副横梁，其余结构件忽略不计,利用圆柱绕流公式计算横梁和辐条每段上的水流作用力及作用力矩，计算时流场绝对速度改为相对鼓形滤网的速度。

圆柱绕流公式

Fd：力矩

CD：绕流系数

ρ:密度

U0：流速

A：截面积。

主辐条计算：以正下方主辐条起算记为第1根，将每根主辐条均分为10等分(第10、11、12根辐条露出水面部分除外)。人字型头部夹角很小，在本计算中可忽略不计。人字型主辐条数量加倍，力矩需加倍。

副辐条计算：以第1根主辐条顺时针方向的第一根副辐条为第1根副辐条。同理，将每根副辐条均分为10等分(第9、10、11、12根辐条露出水面部分除外)。

主横梁、副横梁计算：平行于水面，直接计算。计算结果如表4、表5所示。

图5 水流速度矢量示意图

表4 各部件力矩计算结果

表5 各部件力矩计算结果与相关参数汇总

(二)鼓形滤网其他受力分析。鼓形滤网还受到摩擦阻力：鼓网边与边墙摩擦阻力、主轴轴承、盘根等的摩擦阻力。一般情况下，这部分阻力相对于水流场对鼓网的影响较小。以鼓形滤网滚动轴承力矩为例来说明：鼓形滤网的主轴轴承型号：SKF24148CCK30/W33，查阅SKF轴承手册，摩擦系数为0.0018。

根据单个轴承摩擦力矩公式M=uPd/2

M:摩擦力矩

u:摩擦系数

P：轴承负荷

d：轴承公称直径

计算得M=uPd/2=0.002×(66450*9.8/2)*0.24/2=79N·m，两端轴承则总阻力矩为158N·m。由于其他摩擦阻力更小忽略后得到设备所受的全力为：-2310.778+158=-2153(N·m)，由此可判断流场是影响鼓形滤网运行机制的主要因素。

(三)鼓形滤网受力分析与运行机制的变化。3/4#机组相对于1/2#机组，鼓形滤网骨架结构由1字形变成了人字形，其骨架绕流面积A几乎增加超过了1倍，受循环水流冲击的力矩也提升了一倍。根据以上计算，当水位到达高潮水位时，即使是在低转速下，鼓形滤网仍将承受-2153N·m的受力。由此带来的结果就是鼓形滤网在常用工况低转速5m/min时,其仍然会受到循环水流的影响产生的逆时针方向的力矩，其运行机制变成了其受流场驱动自转，且其自转速度超过了电机的驱动速度，电机反而起到阻碍其运转的作用。实际上，随着鼓形滤网的转速增加，如低转速变高转速，其所受到的流场阻力矩根据圆柱绕流公式会以指数级别上升；又或者潮水位降低，鼓形滤网露出水面的部分增加，其所受流场驱动力矩会下降。当鼓形滤网受到转速和水位两个因素影响时，鼓形滤网在不同的水位和不同的转速下其运转机制将会在两种模式下转换：受循环水流场驱动(电机阻碍运动)或者受电机驱动(流场阻碍运动)。

六、鼓形滤网运行可靠性研究

(一)鼓形滤网缺陷分析。3/4#机组鼓形滤网的运行机制变化会导致其在两种模式下多次转换，特别是在临界水位，会额外增加骨架疲劳应力。对比分析秦山二期工程两台机组初始运行的5个周期，统计分析鼓形滤网的现场缺陷如表6所示。

表6 CRF鼓形滤网运行前5年缺陷统计

从表6可以看出，3/4#机组针对1/2#机组实施轻量化设计后并针对网片增强后，鼓网在骨架和网片的缺陷得到了大幅消除，特别是骨架强度、刚度得到了有效提高，实现了0缺陷。但同时由于鼓网的运行方式在不同潮水位时运行机制变化，对鼓网的受力产生了交替变化，对轮毂、安全销和紧固件产生了不利的疲劳影响，轮毂的缺陷有所增加。综合来看，轻量化设计后鼓形滤网的可靠性确实有效提升，通过对轮毂等相对薄弱的部位实施针对性改造，则可进一步提升设备可靠性。

(二)鼓形滤网轮毂改造后运行情况。3/4#机组其中两台设备在两个大修循环运行后出现轮毂裂纹，现场陆续对4台设备进行了改造，设计寿命40年：305大修对3CRF202TF进行轮毂改进加固；306大修对3CRF201TF进行轮毂改进加固；401大修对4CRF201/202TF进行轮毂改进加固；

在全部4台鼓形滤网改造后，运行至今，轮毂再未出现同样的问题，设备可靠性进一步提高。

七、结语

秦山二期扩建工程3/4#机组循环水鼓形滤网运行以来，由于其轻量化的人字形结构设计，一方面有效提高了鼓形滤网骨架强度、刚度，极大降低了荷载和主轴相关摩擦付磨损；另一方面由于骨架绕流面积增加，设备在外部水位条件影响下，运转机制轮换受交变力影响增加疲劳应力。通过统计分析改进后的设备可靠性得到了提升，特别是在进一步针对薄弱部分改进后，如轮毂加强、齿轮材质提升、螺栓紧固方式提升后，设备可靠性得到了进一步改善。

鼓形滤网的轻量化设计，一是减少了工程造价(材料节省、电机运行能耗节约)，二是对设备的运行可靠性起到了积极的作用。通过本文分析，特针对性提出设计建议：一是改变人字形主辐条、副辐条、主横梁、副横梁的材质，在保持强度、刚度的前提下，减小体积。二是改变人字形主辐条、副辐条、主横梁、副横梁的形状以减小绕流面积，在保持强度、刚度的前提下，减小体积。三是改变轮毂材料、结构等设计，提高其安全系数。

通过以上措施，有望消除鼓形滤网交变运行机制，减少疲劳冲击。这些措施建议可提供给相关设备厂家参考，在后续设计中积极开展实践验证工作，进一步提高核电设备设计生产技术水平。