核电厂堆芯支承下板热处理工艺分析范文

摘要：

堆芯支承下板起到支承燃料组件的作用，其表面不平度对燃料组件安全运行至关重要。工程中堆芯支承下板局部热处理后发生了不平度超差问题，因此亟需开展热处理工艺优化设计，避免再次发生类似问题。通过建立堆芯支承下板与吊篮的热处理数值模型，获得热处理后的表面不平度结果，并进一步开展了堆芯支承下板热处理工艺优化设计，为后续产品的热处理工艺制定提供了指导。

关键词：

堆内构件；堆芯支承下板；不平度；热处理工艺优化

0引言

堆内构件是核反应堆内部的重要组成部分，对反应堆功能实现和安全运行起着重要作用，其中堆芯支承下板和吊篮起到支承燃料组件的作用，属于堆内构件中的核心关键组件[1-2]。堆芯支承下板上布置有多个燃料组件定位销，用于燃料组件的定位，以保证燃料组件的安装精度，因此堆芯支承下板的表面不平度有很高的要求[3-4]。在第三代压水核反应堆设计中，堆芯支承下板与吊篮是通过焊接组装在一起（见图1（a））。工程中堆芯支承下板与吊篮间的焊缝区域进行了局部焊后热处理，以减小焊接后的残余应力。但是局部热处理后堆芯支承下板发生了表面不平度超差，影响了其上的燃料组件定位销的位置精度。基于开发的热处理数值仿真方法[4]，开展堆芯支承下板热处理工艺优化设计，最终获得表面不平度较小的工艺，从而为后续型号的堆芯支承下板热处理工艺制定提供指导。

1堆芯支承下板与吊篮热处理模型

基于“热-力”耦合理论，建立了堆芯支承下板与吊篮的热处理数值模型。由于整个堆芯支承下板和吊篮结构的对称性，选取1/8结构建立了数值模型（见图1（b））。另外，由于堆芯支承下板的定位销孔尺寸很小，对整个分析的影响可以忽略，因此数值模型中省略了燃料组件的定位销孔。数值模型中，在加热装置部分施加热处理温度曲线。为了模拟整个热处理过程中的空气对流效应，在除加热带包裹部分和模型对称面外的其余部分都施加空气自然对流系数。由于模型的对称性，在对称边界上施加结构对称边界条件和绝热边界条件；由于吊篮上部通过十字定位键定位，所以在吊篮上部进行了全约束[4]。

2堆芯支承下板热处理工艺优化设计

2.1加热面积对不平度的影响

基于上述经过验证的堆芯支承下板热处理数值模型，研究了不同热处理加热面积对其变形的影响。分别研究了4种面积的热处理加热方式，即：最外侧四周加热、表面四分之一加热、表面二分之一加热和表面全部加热。表1汇总了不同加热面积下的堆芯支承下板最终不平度数据。从表1可以看出，随着堆芯支承下板加热面积的增大，由热处理引起的不平度迅速减小，整体热处理引起的不平度最小。这是因为随着加热面积增大，整体堆芯支承下板的温度场分布较均匀，不均匀的热胀冷缩减少。

2.2加热面积对残余应力和应变的影响

图2显示了局部热处理和整体热处理后的堆芯支承下板的残余应力。从图2（a）可以看出，整体热处理后的堆芯支承下板残余应力较小，且主要集中在应力槽附近，最大值为89.3MPa。而局部热处理后的堆芯支承下板残余应力较大，较大值集中在堆芯支承下板外部边缘和人孔附近的流水孔区域，最大值为211.395MPa（图2（b））。这主要是因为局部热处理过程中的堆芯支承下板的温度场分布很不均匀，造成堆芯支承下板产生不均匀的热胀冷缩，从而导致了较大的残余应力。而整体热处理过程中，堆芯支承下板的热胀和冷缩变形都比较均匀和协调，因此堆芯支承下板的残余应力较小。图3显示了整体热处理和局部热处理后的堆芯支承下板的残余应变云图。从图3（a）可以看出，整体热处理后的堆芯支承下板残余应变很小，且主要集中在应力槽附近，最大值为0.28%。而局部热处理后的残余应变较大，最大值为2%，约为整体热处理的7倍。局部热处理后除了应力槽附近区域，在靠近外侧的流水孔内也有较大的残余应变（图3（b）），这些残余应变最终引起了堆芯支承下板发生径向收缩和平面度超差。

3结论

根据建立的热处理数值模型，开展了堆芯支承下板热处理工艺优化设计。通过开展局部热处理、四分之一面积热处理、二分之一面积热处理和整体热处理4种不同的热处理工艺研究，获得了不同加热面积对堆芯支承下板不平度的影响规律。结果发现随着热处理面积的增大，堆芯支承下板的不平度逐渐减小。同时，堆芯支承下板的残余应力和应变也随着加热面积的增大而减小。因此，后续项目中建议堆芯支承下板采用整体热处理工艺。

参考文献：

［1］孙汉虹.AP1000第三代核电技术［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］赵家镇，张邵军，杨文彬，等.用于核电站堆芯支承板的奥氏体不锈钢Z3CN18-10（控氮）锻件的制造和监督［J］.热加工工艺，2011，40（3）：85-88.

［3］王庆田，许斌，何大明，等.秦山核电厂二期扩建工程吊篮筒体焊接变形的分析及其控制［J］.核动力工程，2010，31（6）：1-4，9.

［4］廖家麒，刘冬安，林绍萱，等.核电厂堆芯支承下板与吊篮热处理变形数值分析［J］.机械研究与应用，2013（3）：23-26.

作者:刘冬安 丁宗华 林绍萱 单位:上海核工程研究设计院