堆芯过滤装置的设计改进

姜建军，陈振伟，冉小兵，任红兵

（中广核工程有限公司，广东 深圳518124）

CPR1000堆型的反应堆在主回路冷态功能试验和热态功能试验期间，有157组堆芯过滤装置安装在堆内构件堆芯下板上，用于过滤平均直径大于1.5mm的异物颗粒，以防止它们进入反应堆冷却剂系统其他部件，造成设备损坏［1］。

岭澳核电站3号机组在热态功能试验后，发现有多组堆芯过滤装置出现不同程度的损坏，如图1所示。堆芯过滤器不但没有充分发挥其原有功能，损坏掉落的滤网反而成了主回路新的异物，后期还需对其进行搜集清理。为确保堆芯过滤装置在核电站调试过程中的使用更加稳定可靠，本文拟对堆芯过滤装置的失效原因进行分析，并提出合理的改进方案。

图1 岭澳核电站3号机组堆芯过滤装置损坏情况Fig.1 The damaged filter blocks of Unit 3of Ling Ao Nuclear Power Plant

1 堆芯过滤装置的结构及失效原因分析

1.1 堆芯过滤装置的结构

堆芯过滤装置由基座、滤网（无翻边）、压条、把手及固定装置组成，如图2所示。基座用来安装固定滤网及其他零件，并为整个堆芯过滤装置的安装提供定位。滤网由奥氏体不锈钢钢丝经纬编织而成，每个节点处经钎焊固定，并冲压成球冠形。滤网放置在基座上表面凹台上，再由上方的压条压紧，压条与基座间通过间断焊接固定。把手焊接在基座上表面上，方便堆芯过滤装置的搬运，并通过螺钉、垫块等零件与滤网顶端连接，为滤网提供支撑，提高滤网的整体强度。固定装置用来将堆芯过滤装置固定在堆内构件堆芯下板上。

1.2 堆芯过滤装置失效原因分析

岭澳核电站3号机组热态功能试验阶段堆芯过滤装置的失效形式主要有2种：一种是滤网被水流中的硬物击破，另一种是滤网受水力冲击从基座上脱落。第一种失效形式，主要是因为主回路中未被清理干净的硬物，在高速水流的带动下冲击滤网所致。在回路清洁和冲洗阶段仔细清理回路中的异物便可避免这类失效的发生，因此本文不对这种失效形式作重点的分析。第二种失效形式，其直接原因是主回路中的异物被滤网截留，堵塞了流道，从而增加了滤网的局部阻力，导致滤网上下两面的压差增大，流体作用在滤网上的压力也随之增大［2］，当该压力增大到一定程度时，就导致了滤网从基座上脱落。

图2 堆芯过滤装置结构图Fig.2 The structure of filter block

究其根本原因，还在于堆芯过滤装置滤网与基座间的连接方式不够可靠。滤网通过压条压紧其边缘而固定在基座上，这种结构形式使得滤网与基座仅仅通过两者间的摩擦力进行连接。由于摩擦力f＝μ×N，压条作用在滤网边缘的压力就成了影响滤网连接可靠性的关键因素。虽然在将压条焊接到基座上时，已经通过工装对压条施加了一定的预压力。但是由于压条和基座之间通过端面焊接方式连接，压条上施加压力的施力点与压条的固定支点重合，这使得压条保持预压力的效率极大地降低，滤网连接的可靠性也随之降低。堆芯过滤装置这种关键结构的设计不合理，是滤网从基座上脱落的主要原因。

此外，岭澳核电站3号机组热态试验阶段使用的是曾经在岭澳一期核电站使用过的同一批堆芯过滤装置，且这批堆芯过滤装置距上一次使用已有五六年之久。长期存放过程中滤网的轻微锈蚀及压条上预压力的缓慢释放，都可能使滤网连接的可靠性降低。这应该是滤网从基座上脱落的次要原因。

2 堆芯过滤装置的结构改进

堆芯过滤装置的另一个功能是在冷态功能试验和热态功能试验阶段模拟燃料组件的水力特性。因此，在对其结构进行改进时，须遵循一个原则：不能改变原装置的水力特性。

如前文所述，滤网与基座间的连接方式设计不合理是堆芯过滤装置失效的主要原因。因此，最简单和直接的方法便是通过改进滤网的结构来改变滤网与基座的连接方式。如图3所示，滤网冲压成形时，在滤网边缘进行向上翻边处理，将压条外径尺寸作相应的修改，其他零件的结构和尺寸完全不变。在将压条焊接到基座上时，通过工装在轴向和径向两个方向上对压条施加一定的预压力。如此改进之后，滤网与基座的连接便由原来的单一轴向压紧（夹紧）连接改变为轴向和径向两个方向压紧（夹紧）的连接，连接的可靠性得到极大提高，堆芯过滤装置的长期存放对其性能可靠性的影响也会降低。

图3 翻边结构滤网示意图Fig.3 The structure of filter block with flanging

3 堆芯过滤装置的试验验证

为了验证改进后堆芯过滤装置性能的可靠性，特别设计了如下试验：取岭澳核电站3号机组用过的堆芯过滤装置、按原有技术方案新制的堆芯过滤装置和按改进后技术方案制作的堆芯过滤装置各5件，分别编号为A1～A5、B1～B5、C1～C5。去除堆芯过滤装置上的把手、固定装置等附件，仅留下基座、滤网和压条，将其倒置在WDW－100C微机控制电子万能试验机的试验台上。通过球缺形压头对倒置的过滤装置滤网施加压力，直至滤网从基座中脱落或滤网断裂失效，记录每次试验过程中的最大压力。试验设备照片如图4所示，结果数据见表1和图5。

图4 试验设备Fig.4 The picture of testing machine

表1 试验结果数据Table 1 The test result data

图5 三组堆芯过滤装置试验结果Fig.5 The chart of test results

从试验结果看来，B组试件的最大压力值平均值比A组试件大了220%，说明重复使用与长期存放对原有技术方案堆芯过滤装置的性能可靠性有很大的影响；A组试件和B组试件的失效形式均为滤网脱落，说明原有技术方案堆芯过滤装置的结构设计确实不合理；C组试件的最大压力值平均值比B组试件大了130%，且其失效形式为滤网断裂，说明改进后技术方案堆芯过滤装置的结构设计合理，性能也最为可靠。改进后堆芯过滤装置照片见图6。

图6 改进后堆芯过滤装置Fig.6 The improved filter blocks

4 其他改进方案

为彻底消除堆芯过滤装置重复使用与长期存放对其性能可靠性的不利影响，同时尽量降低使用成本，可以将滤网设计成可拆卸的滤网组件，在重复使用时更换新制的滤网即可。这种新型的堆芯过滤装置结构如图7所示，滤网组件从基座下方安装，通过压条压紧后将压条与基座点焊固定，基座的结构作相应的修改，其他结构及连接方式保持不变。滤网组件由滤网和上下两块夹板组成，滤网放置在上下两块夹板之间，上下夹板通过6颗沉头螺钉连接，如图8所示。

图7 可更换滤网组件的堆芯过滤装置Fig.7 The filter block with replaceable filter element

图8 滤网组件的几种结构形式Fig.8 Several structure of replaceable filter element

5 结论

岭澳核电站3号机组堆芯过滤装置在使用过程中损坏的主要原因是其结构设计不合理、重复使用以及使用前的长期存放。通过对滤网结构的改进，改变了滤网与基座间的连接方式，使改进后的堆芯过滤装置性能更好，质量更可靠，并通过机械试验的方式得到了验证。改进后新型堆芯过滤装置属于国内首创，已向国家知识产权局申请专利并获授权（专利号：ZL 2011 2 0009569.6）。

改进后新型堆芯过滤装置可直接用于CPR1000堆型的核电厂，通过接口及相关尺寸的调整还可应用到其他60万千瓦级压水堆和EPR及AP1000堆型的核电厂。

［1］ 广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备［M］.北京：原子能出版社，2004.

［2］ 刘鹤年 .工程流体力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.