分体式新燃料组件干式贮存架设计系统的开发

分体式新燃料组件干式贮存架（以下简称贮存架）主要用于反应堆换料用新燃料组件入堆前的吊挂贮存，安装在新燃料贮存间内，采用U型结构布局，三面靠墙，通过强力膨胀螺栓与贮存间的地面和墙体连接，提高了贮存架结构强度和抗震性。其基体材料为碳钢，表面涂层材料为奥氏体不锈钢，兼顾了强度、制造工艺和耐腐蚀性能的要求，不污染新燃料组件。新燃料组件采用一体式吊挂方式即将吊挂工具（新燃料组件操作工具）与燃料组件一起吊挂在贮存架上，贮存架具备合理的结构，在可能出现的事故工况下，均能安全、可靠地实现新燃料组件贮存。
　　目前国内外已经有类似贮存架产品，但是存在土建工作量大或者吊挂操作困难、抗震性差等不足之处，因此利用先进的设计技术，材料技术研制一种更高效、可靠的贮存架实现反应堆换料用新燃料组件入堆前的吊挂贮存，是十分必要的。
　　该文设计的贮存架，较好地满足了反应堆换料用新燃料组件入堆前的吊挂贮存要求，该贮存架的研制完成和投入使用，较好地满足了工程任务的需求，对于核电设备国产化有着重要的意义。
　　1 国内外情况概述
　　国内外一般有两种结构的新燃料贮存架，一种为贮存管式即新燃料贮存架采用贮存小室（贮存管）方式，在贮存小室的顶部设有导向口，与小室贮腔之间平滑过渡，且腔体内表面光滑，保证了当吊运新燃料组件在贮存小室上方就位时，新燃料组件能够顺利安全地插入贮存小室中，可以方便地垂直装卸新燃料组件，并且不会发生故障或燃料组件破损危险；下部构件和混凝土基础台，作为承重基础支撑整个贮存，常用于地坑安装方式（见图1）。
　　该贮存格架的缺点是：该结构土建工程量大，占用面积大，贮存小室为封闭结构，清洁、检查困难，新燃料组件存放或者吊离贮存格架时需要准确对中，且易与贮存小室内壁擦挂，增加操作难度，新燃料组件采用坐底贮存方式，结构件受力大，对燃料组件安放水平度和垂直度要求高，不利于新燃料组件的长期存放。安装位置低不具备防水淹功能。
　　另一种结构是贮存架由成对的背靠背的贮存单元排列组成，燃料组件被安放在一个贮存单元上（或者吊挂在挂钩上），有的燃料组件也是采用这种贮存方式（见图2）。
　该贮存架的缺点是：新燃料组件采用坐底贮存方式，结构件受力大，对燃料组件安放水平度和垂直度要求高，不利于新燃料组件的长期存放。安装位置低不具备防水淹功能。整个贮存架仅底部与地面连接，重心高，抗振动、抗摇摆能力弱。
　　2 关键技术
　　本贮存架需要解决的关键技术主要有两个：
　　（1）基于稳健可靠性优化设计的分体式设计技术；
　　（2）耐腐蚀金属涂层技术。
　　3 研制方案及技术途径
　　3.1 研制方案
　　通过国内、外贮存架调研分析，结合现场环境、工作进度等实际情况及以往燃料组件贮存架设计、制造经验，根据反应堆换料用新燃料组件入堆前的贮存要求，开展新型燃料组件方案论证，确定了贮存架设计方案即采用钢结构分体式方案，首先由制造厂完成结构单元的制造，然后运输到现场组装。
　　3.2 稳健可靠性优化设计
　　稳健设计（也称为鲁棒设计、健壮设计等），是在日本学者田口玄一提出的三次设计法上发展起来的、低成本、高稳定性的产品设计方法，致力于提高流程或产品的可靠性，它通过调整设计变量及控制其容差使可控因素和不可控因素当与设计值发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法，即通过稳健设计，可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化，拥有很强的抗干扰能力，产品性能将保持稳定和可靠。
　　本贮存架基于Autodesk Inventor三维设计软件建立三维数字样机，以机械桁架设计、有限元分析、可靠性设计、稳健设计为核心，运用成熟的计算机图形技术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，完成基于计算机虚拟现实的研究平台，根据理论计算分析结果及与已证实的类似设计比较，优化贮存架的结构形式及各部件的布置方式，模拟检查贮存架的装配和安装仿真过程，完成贮存架的设计。
　　3.3 技术路线
　　贮存架是一个U形框架钢结构件，主要由槽钢、角钢焊接而成，表面采用不锈钢耐腐蚀涂层，可以分解为小尺寸单元部件进行组装和运输。操作人员利用吊车将新燃料组件连同组件吊具吊运至贮存架的某个悬挂点，然后将吊挂在贮存架上（见图3）。
　　3.3.1 一体式吊挂方式
　　采用一体式吊挂方式贮存新燃料组件，即首先使用吊挂工具（新燃料组件操作工具）与燃料组件锁紧连接，然后将吊挂工具（新燃料组件操作工具）与燃料组件一起吊挂在贮存架上，由于新燃料组件距离地面高度较高，具备防水淹、防磕碰功能，提高了安全性。
　　3.3.2 6σ稳健可靠性优化设计
　　稳健优化设计主要采用减小响应偏差的方法来满足约束条件。稳健设计是将6σ质量管理、可靠性设计和稳健设计相结合的一种现代设计方法，它要求产品质量在均值6σ范围波动时，均能满足设计要求。实质是将可靠性设计和基于容差模型的稳健设计相结合，达到减小目标函数值，降低目标函数对不确定性因素的敏感性，即使目标函数响应均方差减小，实现“均值达到目标”和“均方差最小化”的目的。一般来说，稳健优化设计要达到2个目的：
　　（1）使产品质量特性的均值尽可能达到目标值。
　　（2）使由干扰因素引起的性能波动的方差尽可能小。
　　因此，工程设计中稳健设计模型为双目标优化问题，数学模型为：
　　当时，即为6σ稳健设计。与常规确定性优化方法相比，6σ稳健设计的目标函数，加入了目标和约束条件的标准差。该方法不但能寻找到目标函数最优解，而且还使得目标对设计参数变得不敏感。对于各约束，加入约束函数和设计参数的标准差，可使得最优点在搜索的过程中远离约束边界，提升为6σ水平，以有效地增大可靠度，然而，设计参数的可行域也随之而减小范围。因此，要适当扩大设计参数可行域，就有必要在目标函数中加入约束条件的标准差。
　　3.3.3 设计流程
　　设计流程如下：
　　（1）确定设计区域，选择合适的设计变量、目标函数以及约束函数等其他边界条件。
　　（2）结构离散化，进行有限元分析，获取目标函数、约束函数及设计变量对目标函数变化的敏度信息。
　　（3）根据得到的信息，用合适的优化，计算出当前的设计变量的新值。
　　（4）根据终止准则判断优化结果是否收敛，如果不收敛，重复（2）到（4），如果收敛，则终止迭代。
　　（5）可靠稳健后处理，得到最优的形式。
　　图4给出了可靠性稳健设计设计的基本流程。
　　3.3.4 结构单元设计
　　贮存架如图5所示，由槽钢焊接组成的钢架结构。结构材料奥氏体不锈钢，要求分别在结构体积不变条件下寻找具有最大刚度的强度指标和结构。初始设计空间的有限元模型如图5所示。
　　3.3.5 结构单元优化结果
　　采用Autodesk Inventor设计分析模块进行可靠稳健计算，优化迭代20次后得到优化结果。迭代20次后，结构的趋于平稳，同时材料由奥氏体不锈钢0Cr18Ni9（屈服强度205 MPa）更改为碳钢Q235表面热喷涂奥氏体不锈钢0Cr18Ni9（屈服强度235 MPa），即此时的贮存架强度较初步设计提高30%。如图6所示。
　　3.3.6 不锈钢耐腐蚀涂层技术
　　在碳钢（槽钢或者角钢）基体上，采用热喷涂工艺涂覆一层奥氏体不锈钢耐腐蚀涂层，涂层分为镍基合金底层和奥氏体不锈钢表层两个部分，该结构综合了碳钢成本低，加工性能好及不锈钢涂层表面硬度高（热喷涂后），耐磕碰、耐腐蚀性好的优点，特别是对燃料组件无污染，维护量少，其多方面性能优于常规刷涂油漆工艺（见图7）。
　　3.3.7 贮存架优化设计
　　贮存架采用基于稳健可靠性优化技术的U型分体式结构布局，三面靠墙，并采用强力膨胀螺栓与地面和墙体连接，使之与房屋结合为一体，提高了贮存架结构强度和抗震性，较好地利用了现场条件，适应了现场环境。如图8所示。
　　4 贮存架性能指标
　　在贮存架制造过程中根据质保体系、产品设计和制造工艺要求，通过对生产条件的控制（人、机、料、法、环、测等因素）、关键工序的控制、计量和检验的控制、不合格品的控制，确保了贮存架的制造质量，产品性能指标如下：
　　（1）贮存架重量：约11 t；
　　（2）贮存新燃料组件的能力：40组（可以根据需要增加）；
　　（3）设计使用寿命：30年（免维护）。
　　5 试验结果
　　5.1 负载试验
　　对贮存架40个吊勾，进行了250 kg，6 h负载试验，经检验吊勾连接牢固、结构完整、无变形、松脱、出现裂纹等现象，满足技术要求。
　　5.2 吊装试验
　　用起吊设备将模拟燃料组件在40个吊挂位置进行吊装试验。经检验，吊装试验运行，操作正常、方便顺利，无故障现象，吊装试验试结果全部满足技术要求。
　　6 工程应用
　　进行了新燃料组件的转运以及新燃料组件吊挂贮存在新燃料组件干式贮存架上工作，经过现场检查合格，完全满足设计和贮存技术要求。
　　7 结语
　　（1）通过贮存架的试验和工程应用，证明贮存架设计方案和采用的制造工艺路线是正确合适的，各项指标均达到设计要求，开创了国内分体式贮存架研究和应用先例。
　　（2）稳健可靠性优化设计及虚拟样机技术的应用，缩短了设计、试验周期，大大减少了试验成本，同时提高自主设计开发能力，推动了数字化、信息化设计在实际工作中的应用。
　　（3）由于采用分体模块化结构，便于分散制造，集中组装，在不破坏整体结构的情况下，通过增加新的贮存模块，提高贮存燃料组件数量，具有占地面积小、安全可靠、操作方便、制造成本低，便于生产制造、安装、调试等特点。
　　（4）不锈钢耐腐蚀涂层技术具有耐腐蚀性好、不污染燃料组件、可长时间免维护，受到使用单位的好评，同时为海洋大气环境下提高大型钢结构件耐腐蚀性能，提供了工程案例和经验，具有较广泛的军用、民用市场应用前景。
　　参考文献
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