AP1000主要设备介绍-new

AP1000主要设备介绍郭辉桃花江核电设备处1主要内容•压力容器及一体化堆顶结构•蒸汽发生器•堆内构件和驱动机构•反应堆冷却剂泵•稳压器•燃料组件•双层安全壳结构•小结2一回路设备RCS系统由两条环路组成，每条环路包括一台蒸汽发生器、两台反应堆冷却剂泵以及一根冷却剂主管道热管段、两根冷管段，共同组成一条反应堆冷却剂闭式循环回路。另外，系统还包括稳压器、相应的连接管道(波动管)、阀门和用于运行控制和安全触发的仪表。所有的RCS设备都位于反应堆安全壳内，设备包括：•反应堆压力容器(ReactorPressureVessel,RPV)，包括控制棒驱动机构安装接管；•堆內构件（ReactorVesselInternal,RVI）及控制棒驱动机构（ControlRodDriveMechanism,CRDM）。•燃料组件(FuelAssemblies,FA)3•反应堆冷却剂泵(ReactorCoolantPump,RCP)。共4台屏蔽电机泵(CannedMotorpump)，每台蒸汽发生器下部与两台泵相连接，即每个环路由两台泵驱动；•蒸汽发生器(SteamGenerator,SG)包容反应堆冷却剂的部分，包括SG的水室下封头(ChannelHead)、管板(Tubesheet)和传热管束(Tubes)；•稳压器(Pressurizer,PRZ)以及与其相连接通往一条反应堆冷却剂主管道热管段的波动管线(SurgeLine)；•安全阀(SafetyValves)和自动降压系统(AutomaticDepressurizationSystem,ADS)的阀门；•主管道（MainPipe，上述主要部件之间相互连接的管道），及设备支承；45压力容器及一体化堆顶结构反应堆压力容器是承装核反应堆堆芯并承受巨大运行压力的密闭容器。反应堆压力容器起到压力边界的作用，是第二道放射性屏障，用于支承和包容反应堆堆芯，保持堆芯内冷却剂的水装量。在反应堆压力容器内部，除放置堆芯、堆芯支承结构、控制棒及直接与堆芯连接的其他部件外，压力容器还与一体化堆顶结构、主管道相连接，并且与置于安全壳内混凝土结构上的压力容器支承相接触。6压力容器的组成由筒体部分、过渡环段、半球形底封头和半球形一体化顶盖构成。筒体部分分成上筒体和下筒体，过渡环段连接下筒体和半球形底封头。上下筒体、过渡环段及上下封头由SA508-3低合金钢(锰-铬-铜-镍低碳贝氏体合金钢)制成，内表面堆焊奥氏体不锈钢。上、下筒体锻件、过渡环段、半球形底封头间采用单或多道埋弧焊及手工电弧焊焊接相联。压力容器主冷却剂进出管嘴、直接安注管管嘴和堆内构件吊篮支承均位于上筒体(接管段)。上封头封头由顶盖和法兰制成，上封头为控制棒驱动机构、堆内测量提供了安装孔和支承，为RPV放气管和一体化堆顶结构提供了支承。7AP1000压力容器主要参数：筒体内径3988mm筒体壁厚203mm高度12.2m设计压力17.13MPa设计温度343.3℃重重425.3吨筒体接管4进2出入口管嘴(高)内径0.56m出口管嘴(低)内径0.79m下封头厚度(最小值)152.4mm活性段厚度(最小值)203.2mm主体材料SA508-3锻件8一体化堆顶结构由如下的主要部分组成：屏蔽罩及检查门、堆芯测量探头的提升绞盘、起吊三角架、电缆托架及其支承结构、螺栓起吊轨道、CRDM抗震支承和堆内测量仪表(ICIS)支承结构CRDM风冷通道(即冷却围筒)。一体化顶盖组件将这些分开的部件与顶盖一起组成一个整体结构，在更换燃料时，可以作为一个独立单元被拆除和移动到储存架上，这样缩短了反应堆开盖的操作时间，大大减小了维修操作人员的辐射剂量。9一体化结构顶盖及内部结构1011压力容器技术特点：•压力容器的堆芯下筒体(堆芯活性段)采用了环型锻件结构，取消了纵向焊缝；•在压力容器的材料中降低了镍和铜的含量，把辐照脆化的影响降到最低；•尽可能地降低初始的“无塑性转变温度”（是指按ASMEE208试验时，标准试样发生断裂的最高温度，它表明含有小裂纹的试样在动态加载屈服应力下发生脆断的最高温度），活性区锻件材料RTNDT为-28.9℃，提高压力容器材料的断裂韧性，以延长核电厂的运行寿期；•在RPV顶盖的贯穿件焊缝和接管安全端焊缝采用Inconel690合金焊材(这是目前潜在应力腐蚀裂纹敏感性最低的工业材料);12•堆芯仪表通道设在RPV顶部，使得所有的贯穿件都布置在压力容器顶部，下封头上没有任何贯穿孔，这样就彻底排除了压力容器底部泄漏导致反应堆失水事故的可能性。上封头有69个贯穿孔为控制棒驱动机构提供路径，另外还有42个贯穿孔用于堆内测量的通道（堆芯中子通量、温度测量管等）。•在堆芯筒体的上筒节上增加了两个直接安注管口，缩短了事故工况下堆芯注入冷却剂的响应时间。•冷却剂入口接管嘴位置高于出口接管嘴，使得维修时不用堆芯卸料就能对主泵进行检修。•一体化堆顶结构(IntegratedHeadPackage,IHP)由多个独立的设备组成，从而简化了反应堆的换料操作。在停堆换料期间，通过它与反应堆压力容器顶盖移动联合操作，减少了停堆时间和个人辐射剂量。另外，一体化堆顶结构减少了其相关部件在安全壳内的存放空间。AP1000这些改进提高了RPV的可靠性,在假想设计基准事件和超设计基准事件的条件下更好地保护堆芯。13压力容器制造的技术难点：14•AP1000压力容器大锻件全部采用ASMESA508制造标准。压力容器要求达到60年的设计寿命，这对制造厂的核电大锻件制造工艺水平提出了很高的要求。经过研究和分析，发现AP1000反应堆压力容器大锻件至少存在以下几个方面的制造难点：原材料冶炼和锻造困难一体化上封头的制造工艺复杂原材料冶炼和锻造困难•多包合浇与二代改进型机组相比，AP1000反应堆压力容器的大锻件体积重量更大，其中一体化顶盖封头、堆芯段筒体和容器法兰接管段筒体需要使用270～500吨的大钢锭，这就要求制造厂具备成熟的三包合浇至五包合浇的工艺；•双真空处理工艺为了控制材料中气体含量尤其是氢的含量，ASME标准明确要求：“在浇注钢锭前和浇注中，为了除掉有害气体（尤其是氢），对熔融钢水应进行真空处理”。根据以往核电设备的制造经验，钢包样的氢含量应该不大于2ppm，这样才能保证后道工序的正常操作。所以，锻件钢锭多包合浇过程中需对多包钢水真空处理并在浇注中再次进行真空浇注。很多制造厂只有单真空处理的能力或者只能针对单包钢水进行双真空处理。如何实现多包合浇同时双真空处理工艺，是大部分制造厂都不得不面对的难题。16•消氢处理根据已有的部分AP1000反应堆压力容器大锻件熔炼分析报告的结果，发现即使使用了双真空处理工艺，也不能保证一定能达到氢含量小于2ppm的要求。原材料加工过程中还应该采取消氢的补救措施，比如：在锻件锻后热处理过程中延长扩氢时间，以降低成品中的氢含量。•工艺和质量控制要求更高AP1000反应堆压力容器的设计寿命要求达到60年,这就对承受强辐照区域材料的机械性能指标提出了很高的要求。根据1版设计规格书，容器法兰接管段筒体、堆芯段筒体和过渡段筒体以及三者之间的两条环焊缝都属于承受强辐照区域的材料，制造厂必须严格控制每一个细微的制造工艺、检验与试验环节，才能达到RTNDT≤-28.9℃的技术指标。17一体化上封头的制造工艺复杂•由于一体化顶盖封头在毛坯状态时，其顶盖法兰部分的壁厚至少达到730mm，此时的锻造冲型就不再是普通的板坯“拉深”工艺。所以一体化顶盖封头的冲型工艺对制造厂是一个很大的挑战。中国一重目前正在做产品试验件。•一体化顶盖封头在淬火过程中的防变形问题是一个极大的难题，需要经过反复的模拟计算，甚至需要做小型模拟件淬火试验来确认淬火工艺。18蒸汽发生器蒸汽发生器是将堆芯热能传递给二回路介质以产生蒸汽的热交换设备。•为典型的直立式带有一体化汽水分离器的U型管自然循环蒸汽发生器。蒸汽发生器属于安全A级和抗震I类设备。设备整体高度约22m，上内径约5.3m，下内径约4.1m，一次侧压力17.13MPa，温度343℃，二次侧压力8.17MPa,温度315.6℃，一次侧到二次侧压差11MPa，传热管面积11477m2。19•冷却剂通过热管段流进水室，水室的下部为椭圆型和圆柱型部分，这种布置可以加大所有管道的通路，包括外围的管道。与球形设计相比，这种特性增强了AP1000传热管的检查、维修能力。非能动的余热排出系统管道与蒸汽发生器一次侧流道底部相连。AP1000的蒸汽发生器提高工作压力到7.15MPa（普通PWR为4.5～6.5MPa），增强传热能力，并提高动力回路的效率。2021AP1000蒸汽发生器的主要技术特点：蒸汽发生器的U型传热管采用三角形排列；采用三叶状孔(梅花孔)支承板，改进了防振条工艺；管板上的传热管采用全深度液压胀管工艺，最大限度地防止二回路水进入传热管与管板之间的缝隙。采用一体化的汽水分离器；22传热管使用耐腐蚀性能很好的合金因科镍690，改善了材料可焊性、腐蚀性、机械性等性能，管板一次侧镀因科镍合金，给水环、辅助给水管道和一些主要分隔组件采用因科镍合金；采用椭圆形的一次侧下腔室，便于机器人工具进出和维护保养；蒸汽发生器下封头直接与两台反应堆冷却剂泵的壳体相连接；在AP1000中，蒸器发生器和给水系统的组合设计有利于消除“水锤”现象。23SG的制造难点24SG的制造难点•锻件尺寸大、结构复杂AP1000蒸蒸发器单件就达633吨（焊上主泵泵壳后为665吨），比国内制造的同类产品（秦山二期的蒸发器为344吨）重近一倍，其锻件尺寸也都相应加大（见下表），其中蒸发器的水室封头包括4个接管嘴，都需要一体化锻造，由于形状和结构复杂，一些过渡曲面不能依靠自由锻成型,而需要工具和模具，加工难度很高。大型锻件最大外形尺寸锻件名称M310AP1000最大外径及高度（mm）最大外径及高度（mm）蒸发器水室封头Ф=3608h=1813Ф=4487h=2273.7蒸发器管板Ф=3485h=718钻孔厚度562Ф=4487.67h=1171.7钻孔厚度790.726•管板制造技术要求高蒸发器管板的制造，首先要严格控制原材料中的含氢量，根据制造厂已有的制造经验，倘若含氢量达不到标准，很容易在堆焊过程中发生基体裂纹的情况（斗山在管板制造过程中发生的问题），另外，在锻造过程中要控制疏松，必须采取特殊的锻造方法宽砧强压，且正反两面压实。蒸发器管板钻孔也是一个难题，AP1000的管板直径3999mm，共要钻20050个孔，钻孔厚度790.7mm，孔径17.475mm，与M310相比，孔的数量多了两倍以上，孔径变细，钻孔更深。管板增厚，管孔变小，钻孔难度相应增加，钻头转速、进给量等工艺参数要通过反复实验确定。27•传热管制造难度大AP1000传热管材质为因科镍合金690，数目为10025根（M310的蒸发器为4474根），规格为Φ17.475mm×1.016mm，每根长度约48m，与M310相比更细、更长、管壁更薄，对于原材料冶炼、冷拔及热处理工艺环节的要求也更高，蒸发器传热管目前国内尚无生产，世界范围内也仅有2家供货商，产能紧张。2829SG传热管支承板30堆内构件和驱动机构堆内构件由上部构件和下部构件两部分组成，堆内构件的主要材料是奥氏体不锈钢。31AP1000上部堆芯支承部件由上部支承板、上部堆芯板、支承柱和导向筒组件组成。支承柱构成上部支承板与上堆芯板之间的空间。支承柱的顶部和底部固定在这些板上，并在两板之间传递机械载荷。部分支承柱对固定式堆内探测器导管起辅助支承作用。堆芯测量柱容纳堆内探测器，在安装、反应堆运行及停堆换料探测器移出时，为这些探测器提供了保护通道。32AP1000上部堆内构件示意图33AP1000下部堆芯支承部件是堆内构件中主要的组成部分和支承部件。它由吊篮筒体、下部堆芯支承板、堆芯二次支承、涡流抑制板、堆芯围筒，径向支承键及相关附属部件组成，堆内构件为堆芯、控制棒提供对中和支承，使反应堆得以安全可靠地运行34AP1000下部堆内构件示意图35堆内构件的功能有：•盛