反应堆压力容器支座温度场特性试验研究

吕 莹1，刘润发1，刘鹏飞,贺隆坤

(1.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233；2.上海交通大学 核科学与工程学院,上海 200240)

0 引言

压水堆核电厂反应堆压力容器(RPV)支座起到支承RPV的作用，用来承载反应堆本体结构的重量及主管道的载荷，并将载荷传递到反应堆厂房建筑混凝土上。在核电厂设计中RPV支座属ASME核安全1级支承，对保证反应堆本体结构和位置的稳定性具有重要作用[1-3]。

为了保障与RPV支座接触的混凝土长期运行的安全性，要求反应堆压力容器支座与一次屏蔽混凝土的接触温度不能超过93 ℃[1,4]。目前，压水堆核电厂压力容器支座的温度场研究还很欠缺，已有的少量研究也主要集中在数值分析方面[5-6]，相应的试验研究尚属空白。

1 反应堆压力容器支座布置及结构

1.1 RPV支座布置

核电厂压力容器的4个支座沿一次屏蔽墙按90°分布，分别与压力容器的4个接管的支承凸台接触，从而支撑整个压力容器。图1为支座与压力容器接管、混凝土位置关系的剖面图，图2为支座与压力容器接管布置立体图。

图1 反应堆压力容器支座布置示意[1]

图2 反应堆压力容器支座结构立体图

压力容器接管温度接近300 ℃，热量从接管支承凸台传递到支座，并进一步传递到支座底面的混凝土(见图1)。美国混凝土协会(ACI)规定，在正常运行和任何长期运行工况下，一次屏蔽混凝土的局部最高温度不应超过93 ℃[1,4]。因此，压力容器支座的温度场分布，尤其是与混凝土接触的支座底面的最高温度成为支座设计过程的关键约束之一，应避免超过许用温度，防止发生严重事故。

1.2 RPV支座结构

RPV支座主体结构是左右对称、内部中空的箱式金属支座，包括空气入口、空气出口、散热片和支承肋板等组件。图3为支座的结构示意图。RPV支座采用内部空气强制对流的冷却方式。冷却空气从空气入口进入RPV支座，流经支座内部腔体流道，通过多组设置于支座内腔的散热片带走支座热量，并从4个空气出口流出。支座顶部中间凹形区域与RPV接管接触，起到支承和限位RPV的作用，并将RPV接管的热量载荷直接传输到RPV支座。RPV支座底面下方直接接触混凝土钢结构，该钢结构为厚度约10 cm的钢板，温度会直接传递到混凝土，因此需要控制RPV支座底面最高温度，避免支座下方与之接触的混凝土温度过高。

图3 压力容器支座本体结构示意

2 温度场试验装置及方法

2.1 试验装置

本试验由支座试验件、支座加热系统、风道加热系统、入口空气转速调节系统等主要系统和其他辅助系统(测控系统、支座试验件支撑系统等)组成。

2.1.1 支座试验件

压力容器支座试验件的实物外形如图4所示，内部结构如图5所示。

图4 压力容器支座试验件外形

图5 支座试验件内部结构示意

试验件由多个承重面板焊接而成，由左右对称的内部中空箱体组成，设有4个同尺寸空气进口和4个同尺寸空气出口。试验时，背部2个空气进口用螺纹连接的金属盖板进行密封，模拟实际工况。试验件的结构尺寸、材料牌号、焊接坡口和加工工艺均与工程实际一致。

2.1.2 支座加热系统

支座加热系统的主要功能是使支座凹形区域的温度保持在287 ℃附近(±3 ℃)，与工程设计工况下支座实际接触RPV接管部分的温度一致。加热系统设计成5个板式加热器，额定功率120 kW，由底部3个30 kW和两侧2个15 kW板式加热器组成。加热系统具有连续调节能力。由于试验周期为秋冬季节，试验时冷空气会带走热量，温度边界可能会产生波动。因此，为了确保试验的准确性，加热系统采用温度监测信号进行闭环控制，加热器和支座凹形区域周围采用石棉等材料包裹覆盖，进行保温。

2.1.3 风道加热系统

风道加热系统(见图6)的主要功能是将由风机出来的冷空气加热至满足试验条件的支座入口空气温度。设计工况下入口温度为35.35 ℃，考虑到入口温度敏感性试验和试验时环境温度，风道加热系统具备升温40 ℃的加热能力。入口温度调节精度为±1 ℃。加热系统选用风道式加热器。加热器具有连续调节加热功率能力，根据支座试验件空气入口温度调节加热功率，确保空气入口温度满足试验工况要求。

图6 风道加热系统示意

2.1.4 入口空气转速调节系统

入口空气转速调节系统的主要功能是根据试验条件要求，通过调节转速改变支座空气入口流速。基准工况下入口流速为6.25 m/s，考虑入口流速敏感性试验要求(3～9 m/s)，风机风量选择为6 000 m3/h。入口风速采用热线风速仪测量，测量精度为±0.3 m/s。

2.2 试验方法

支座的温度场尤其是支座底面的温度分布对屏蔽墙混凝土的安全性具有重要影响。因此，支座底面与混凝土钢结构接触区域的温度场是重点测量的区域。

图7 压力容器支座底部温度测点布置

根据目前已有的数值模型计算结果[5-6]可知，整个支座底板温度较高位置是位于压力容器接管下方的区域，该区域是需要测量的关键位置。所以针对支座底面制定了如图7所示的温度测量位置方案。通过稀-疏结合的方式，既可以有效地获得关键位置的温度分布，也可以减少测点布置。在支座的其他关键位置，如散热片、冷却空气出口端和支座侧面等位置，也布置一定数量的测点。

本试验采用NI的高性能数据采集系统，温度采集用PXIe-4353板卡(采集精度为0.3 ℃)，风速采集用Omega TVS-1100风速和温度测量仪(精度为2%)。整个试验平台的测量参数包括流速和温度，共66个测量信号(通道)。根据仪表类型和传感器布点位置，对试验回路所有测量信号进行统一分类和编号。

3 试验结果及分析

本试验的核心目标是完成支座试验件的温度场分布测量，获得试验过程中会产生温度及速度数据，验证数值模拟结果。

3.1 试验条件

支座试验件风道入口温度35.35 ℃；入口风速6.25 m/s；支座试验件与板式加热器接触面温度287 ℃。

支座试验件温度稳定后每5 min取一次平均值，共取5次，所得的支座加热系统温度测量结果如图8所示。可以看出，支座加热系统的温度范围在287 ℃附近，说明加热系统的稳定性。同时，试验系统结果表明，风道入口风速稳定维持在6.25 m/s(±0.3 m/s)，入口温度稳定维持在35.35 ℃(±1 ℃)，满足试验条件要求。

图8 支座加热系统温度分布

3.2 支座温度场结果

3.2.1 支座底面温度场分布

支座温度稳定后每5 min取一次平均值，共取5次，所得的支座底面温度场分布如图9中试验测量值所示。从图9可以看出，支座底面温度以纵向中心线近似对称分布，呈“抛物线”形式；越靠近中心线的位置，支座底面温度越高，这是因为支座底面纵向中心线区域位于RPV接管接触面的下方，所以此处的支座底面温度最高。本次试验测得支座底面温度最高点出现在支座纵向中心线上，最高温度38 ℃左右；测得支座底面最低温度17 ℃左右，出现在支座底面肋板下方区域，此处区域距离RPV接管最远。

图9 支座底面温度场分布(数值模拟与试验测量对比)

图9中另一曲线是支座底面温度场分布情况数值模拟计算结果。支座模拟计算采用有限元软件Fluent数值模型，支座和内部空气的接触面以“Coupled”方式模拟支座与空气的热交换[7-12]，模拟计算选用参数与试验条件选用参数相同。由图9可以看出，反应堆压力容器支座试验测量值和数值模拟所得底面温度分布情况趋势相同，靠近中心线位置底面温度越高，逐渐向支座两侧递减；支座底面温度场数值模拟值与试验测量值基本一致，部分温度差值有较小偏差。因此，1∶1支座模型试验测量所得的支座底面温度验证了支座数值模拟计算的准确性，同时，支座试验测量温度远小于温度限值93 ℃，说明支座设计的可靠性。

3.2.2 支座本体温度场分布

支座温度场稳定后，在支座本体上选取5个典型测点，获得了支座本体试验工况下的温度场分布(见图10)。图11为支座本体温度场分布情况数值模拟计算结果与试验测量值的对比图。

图10 支座本体温度场分布(试验测量)

图11 支座本体温度场分布(数值模拟与试验测量对比)

从图10可以看出，支座本体的温度分布也很不均匀。支座本体越靠近压力容器接管的区域温度较高，越靠近支座底面温度越低。选取的传感器测点最高温度56 ℃左右，最低温度31 ℃左右。另外还可以看出，支座垂直方向的位置差异(距支座底面距离)相比水平方向的位置差异(距支座中心线距离)对温度场的影响更显著。因此，选择了与支座底面距离差值较大的试验测点2、测点3和测点4与支座模拟计算值进行对比。由图11可以看出，支座本体温度场数值模拟值与试验测量值和温度分布趋势基本一致，部分温度差值略有小幅差异，同样证明了支座数值模拟计算的准确性。

3.2.3 入口冷却空气风速影响

为了进一步研究不同入口空气冷却风速对支座底面温度场的影响，本文研究了4种不同风速下(3,5,7,9 m/s)支座底面的温度场分布，如图12所示。可以看出，不同入口空气风速下，支座底面温度场分布都呈现类似“抛物线”形式。支座底面温度最高点出现在纵向中心线上，温度向两侧逐渐降低，且关于纵向中心线对称分布。随着风道入口风速的提高，支座底面温度逐渐降低，如风速3 m/s时，支座底面最高温度41 ℃左右；风速9 m/s时，支座底面最高温度36 ℃左右。同时，入口风速变化对支座底面靠近中心处的影响比两侧的影响要大。随着入口风速的提高，其对支座底面温度的影响力逐渐减弱(如风速从7 m/s增大到9 m/s的温度变化已经不明显)。

图12 支座入口空气风速对支座底面温度影响曲线

4 结论

首次完成了反应堆压力容器支座温度场实体同等比例模型试验研究。试验结果表明，压力容器支座底面的温度场以纵向中心线对称分布，整体呈“抛物线”形式分布，越靠近支座中心线的位置温度越高。正常工况下支座底面最高温度38 ℃左右，远小于安全限值(93 ℃)，验证了反应堆压力支座内部腔体结构设计和进出风口布置的合理性和可靠性。

通过设置不同入口空气风速的试验，研究表明，随着入口空气风速增大，支座底面温度降低，尤其对支座底面最高温度影响较大；入口风速增大到一定程度后，对支座底面温度的影响不再显著。