AP1000反應堆蒸汽發(fā)生器的設計特點

孟 劍，徐金康

（上海核工程研究設計院，上海200233）

蒸汽發(fā)生器是核電站的關鍵設備之一。自1953年起，西屋公司開發(fā)了管束為正方形排列的D系列和F系列蒸汽發(fā)生器，共25個型號。20世紀七八十年代，在役電廠需要大批更換蒸汽發(fā)生器，要求更換的蒸汽發(fā)生器外形尺寸不變，并提高傳熱功率。為此，西屋公司開發(fā)了管束為三角形排列的△系列蒸汽發(fā)生器。第一批3臺△75蒸汽發(fā)生器已于1995年更換在V.C.Summer核電站；△94蒸汽發(fā)生器也已用于South Texas等核電站。

西屋公司研發(fā)的AP600反應堆使用2臺△75蒸汽發(fā)生器。AP1000反應堆由于功率提高，因此使用2臺△125蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器的設計基于以下經驗證的設計：

（1）V.C.Summer和其他核電站更換的△75蒸汽發(fā)生器。

（2）South Texas核電站更換的△94蒸汽發(fā)生器。

（3）Arkansas（ANO）核電站更換的1 500 MW蒸汽發(fā)生器。

（4）San Onofre和 Waterford蒸汽發(fā)生器。

運行經驗與分析表明：San Onofre蒸汽發(fā)生器傳熱管彎管區(qū)存在的面內流彈性失穩(wěn)引起的嚴重磨損使大量傳熱管損壞，現已決定關閉該核電站。

筆者從設計參數、材料、結構等方面詳細描述AP1000蒸汽發(fā)生器的主要設計特點。

1 設計參數

AP1000蒸汽發(fā)生器是帶有內置汽水分離裝置的倒U形管蒸發(fā)器，其主要的設計參數見表1，總體結構見圖1［12］。

表1 AP1000蒸汽發(fā)生器設計參數

表1 （續(xù)）

表1 （續(xù)）

圖1 AP1000蒸汽發(fā)生器結構圖

2 材料

2.1 殼體

AP1000蒸汽發(fā)生器殼體的材料為SA-508 Gr.3Cl.2，主要包括：水室封頭、管板、下筒體、錐體、上筒體、上封頭、二次側人孔、主給水管嘴、啟動給水管嘴、耳軸、緩沖支承墊等。它的優(yōu)點是強度高，可減小殼體壁厚，從而減小設備質量。SA-508Gr.3Cl.2和 SA-508Gr.3Cl.1的力學參數比較見表2［3］。在相同的設計條件和設計余量下，用SA-508Gr.3Cl.2材料設計的蒸汽發(fā)生器殼體質量要比SA-508Gr.3Cl.1材料設計的殼體質量小約11%。AP1000蒸汽發(fā)生器殼體質量約為400t，比SA-508Gr.3Cl.1材料設計的蒸汽發(fā)生器質量小50t左右。

表2 蒸汽發(fā)生器殼體材料力學性能參數比較

2.2 傳熱管

AP1000蒸汽發(fā)生器傳熱管的材料為690TT合金。690TT合金是核電蒸汽發(fā)生器最適合的傳熱管材料，主要是由于其優(yōu)良的抗腐蝕性能。表3是來自EPRI報告［4］關于不同蒸汽發(fā)生器傳熱管材料抗腐蝕性能的相對排名。由表3可知：690TT合金具有不低于600合金和800合金的抗腐蝕能力。

表3 600合金、690合金和800合金抗腐蝕性能的相對排名

2.3 給水環(huán)

除噴嘴外，蒸汽發(fā)生器給水環(huán)主體零件采用了鉻鉬合金鋼材料，原因是給水環(huán)內流速較高，易發(fā)生侵蝕，且要求給水環(huán)材料具有較好的韌性。在60年設計壽命和AP1000蒸汽發(fā)生器給水流速條件下，該材料的腐蝕量為1.2mm左右，如采用碳鋼材料，相同條件下腐蝕量將達到16 mm左右。

2.4 鎳基合金

除傳熱管外，AP1000蒸汽發(fā)生器較多部位也采用了690鎳基合金，如水室封頭的非能動余熱排出熱交換器（PRHR）管嘴、水室隔板、一次側人孔臨時密封蓋板、主給水隔熱套管、主給水環(huán)噴嘴、啟動給水噴嘴等。鎳基合金的優(yōu)點主要有：（1）良好的抗腐蝕、侵蝕能力；（2）良好的抗氧化能力；（3）強度較高，且在高溫下仍能保持較高強度；（4）無須進行焊后熱處理。

3 結構

3.1 一次側內表面

AP1000蒸汽發(fā)生器一次側通過降低表面粗糙度以減少腐蝕產物在一次側沉積，減少放射性；同時也能減小蒸汽發(fā)生器一次側的流體阻力。一方面，對下封頭內表面和水室隔板表面進行電拋光降低粗糙度；另一方面，降低了傳熱管內的表面粗糙度。由于管束內表面的沿程壓力損失占蒸汽發(fā)生器一次側壓力損失的一半左右，因此降低傳熱管內的表面粗糙度可顯著降低蒸汽發(fā)生器一次側的壓力損失。經計算可知：在相同的條件下，AP1000蒸汽發(fā)生器一次側管內沿程壓力損失相比傳統(tǒng)蒸汽發(fā)生器可減小8%左右。

3.2 水室封頭

AP1000蒸汽發(fā)生器水室封頭的設計特點主要有：

（1）1號蒸汽發(fā)生器水室封頭出口腔室底部有一個PRHR系統(tǒng)管嘴以及化學和容積控制系統(tǒng)（CVS）管嘴。

（2）水室封頭出口管嘴直接與反應堆冷卻劑泵泵殼連接。

（3）進口管嘴和出口管嘴的管嘴堵板固定環(huán)為快速裝卸結構，能減少操作人員在安裝堵板時所受的輻照劑量。

（4）水室封頭帶有傾斜平底，水室隔板底部有兩個小孔，使蒸汽發(fā)生器一次側能通過內部將水疏干。

3.3 管板

AP1000蒸汽發(fā)生器管板的設計特點主要是二次側開有應力槽，可減薄管板厚度。管板二次側表面單邊開排污孔，不設排污管，便于管板二次側表面的泥渣沖洗。排污通道出口處為噴管結構，優(yōu)點是壓力損失小，防止流體流出管嘴時汽化。AP1000管板結構見圖2。

圖2 AP1000蒸汽發(fā)生器管板及排污疏水結構

3.4 管束及其支承

3.4.1 傳熱管

雖然AP1000蒸汽發(fā)生器的傳熱管材料和大亞灣、嶺澳及秦山二期核電站一樣都為690合金，但是尺寸不同。大亞灣、嶺澳及秦山二期蒸汽發(fā)生器的傳熱管直徑為19.05mm，壁厚為1.09mm，為正方形排列（節(jié)距約為27mm）；AP1000傳熱管直徑為17.48mm，壁厚為1.01 mm，為三角形排列（節(jié)距約為25mm）。在相同節(jié)距和無限大面積的前提下，三角形排列布置的傳熱管數量是正方形排列的1.154 7倍。在正方形排列和無限大面積的前提下，25mm節(jié)距布置的傳熱管數量是27mm節(jié)距的1.166 4倍。如果在無限大的面積內以正方形排列的19.05mm傳熱管布置為基數1，其余尺寸和排列的布置數量、流通面積和單位長度傳熱管的表面積的相對值見表4。

表4 不同尺寸和排列下傳熱管數量、管內流通面積和單位長度表面積相對值

由表4可知：AP1000蒸汽發(fā)生器傳熱管布置最密集。在相同回路的前提下，大功率核電站的設計需要更大的蒸汽發(fā)生器，而密集布置設計可以減小蒸汽發(fā)生器因功率增大而增加的尺寸和質量。

3.4.2 傳熱管支承板

AP1000蒸汽發(fā)生器管束直管段設有10塊傳熱管支承板。傳熱管支承板采用三葉草形管孔結構［2］，見圖3。

圖3 傳熱管支承板三葉形管孔結構

三葉草形管孔的特點是使汽水混合物沿傳熱管軸向流動。三葉草形管孔與傳熱管的接觸面為平面，平面接觸相對于凹面接觸能防止蒸干。試驗表明：平面接觸使傳熱管與支承板接觸點的縫隙過熱顯著減少，限制了局部化學濃縮；AP1000蒸汽發(fā)生器傳熱管支承板通過減小管孔與傳熱管的間隙，使流致振動造成的傳熱管磨損最小。

3.4.3 抗振條

抗振條的作用是防止傳熱管彎管區(qū)由于流致振動而失效。傳熱管彎管區(qū)的抗流致振動主要依靠抗振條和傳熱管的相互作用。由于AP1000蒸汽發(fā)生器采用直徑最小的傳熱管，因此設計中采用6組抗振條（見圖1）。傳熱管與抗振條之間采用窄間隙設計。該設計需經AP1000運行加以驗證。

3.5 給水環(huán)

AP1000蒸汽發(fā)生器給水環(huán)結構見圖4。圖中結構與標準的90°彎頭和隔熱套管的焊接件相連接，并焊接到主給水管嘴上（見圖1）。給水環(huán)的標高比主給水管嘴高，該結構可以消除熱分層。另外，給水由給水環(huán)頂部的噴嘴流出，可以降低水錘發(fā)生的可能性。AP1000蒸汽發(fā)生器給水環(huán)的顯著特點是噴嘴由200多個小直徑的孔組成。該結構可以防止二回路中較大的松動件流入蒸汽發(fā)生器二次側，從而對管束造成損傷。

圖4 AP1000蒸汽發(fā)生器給水環(huán)組件

3.6 泥渣收集器

AP1000蒸汽發(fā)生器包含的泥渣收集器位于汽水分離器下部，其入口在汽水分離器下部支撐板中心，出口在外圍。泥渣收集器的作用是沉淀并收集進入蒸汽發(fā)生器的二回路給水中的泥渣，減少管板和傳熱管支承板上的泥渣沉積，停堆時可對泥渣收集器進行清洗。

3.7 汽水分離器

AP1000蒸汽發(fā)生器采用33個初級分離器（見圖1），初級分離器的內徑與秦山二期60F蒸汽發(fā)生器的初級分離器相同。初級分離器采用分散型布置，給水環(huán)布置在初級分離器之間，優(yōu)點是在役檢修方便，且該結構能布置泥渣收集器。

次級分離器（也稱干燥器）是第三方公司產品，為單層八組布置（見圖1）。該結構的優(yōu)點是降低次級分離器的高度。次級分離器采用為分離效率更高的雙鉤波形板，設有人孔，可檢修和更換葉片。

3.8 蒸汽限流器

蒸汽限流器的作用是主蒸汽系統(tǒng)發(fā)生事故時限制流出蒸汽發(fā)生器的蒸汽流量。正常運行時，要求蒸汽限流器的壓力損失較小。與其他核電站蒸汽發(fā)生器類似，AP1000蒸汽發(fā)生器的蒸汽限流器由7個文丘里管組成。文丘里管是低壓力損失結構，其壓力損失一般由下式確定：

式中：ploss為文丘里管的壓力損失；△p為文丘里管進口和喉部差壓；ξ為壓力損失系數。

相同條件下，壓力損失系數ξ越小，壓力損失越小。一般文丘里管的ξ≥0.1，而AP1000蒸汽發(fā)生器蒸汽限流器的文丘里管的ξ＜0.05。

4 結語

筆者從設計參數、材料、結構等方面介紹了AP1000蒸汽發(fā)生器的設計特點，對壓水堆蒸汽發(fā)生器工程設計人員具有一定的參考價值。出口蒸汽壓力和濕度、管束抗水力振動的能力，尤其是抗振條設計需經運行驗證。

［1］孫漢虹 .第三代核電技術AP1000［M］.北京：中國電力出版社，2009：40-41.

［2］林誠格 .非能動安全先進核電廠AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008：110-113.

［3］ASME.Boiler and pressure vessel code［S］.New York：ASME，1998.

［4］Baum A J.Alloy 690qualification：corrosion under prototypic heat flux and temperature conditions［R］.Palo Alto，US：Electric Power Research Institute，1995.