压水堆堆内压紧弹簧性能研究与分析

王仲辉 胡朝威 赵 伟 吉文浩 吕新知

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

0 引言

压紧弹簧是反应堆堆内构件的重要部件之一，其能在不同工况下为压紧堆内构件提供所需的压紧力，并补偿压力容器和堆内构件法兰制造、装配以及热膨胀引起的偏差，阻止上部堆内构件和下部堆内构件因受到各载荷而引起的轴向移动，保证堆内构件在各工况下发挥正常功能。

本文基于压紧弹簧的结构特性，分析了压紧弹簧所受载荷和压紧力的计算，对压紧弹簧刚度的影响因素进行了研究，基于研究分析结果，为压紧弹簧的结构设计提供一定参考。

1 压紧弹簧结构简介

压紧弹簧位于堆内构件吊篮法兰上表面与上支承法兰下表面之间，具体安装位置如图1 所示，吊篮法兰上表面根据压紧弹簧结构设置相应下沉台阶用于压紧弹簧安装和初步定位，吊篮法兰置于压力容器筒体凸台上，并与压力容器顶盖配合实现压紧弹簧定位和预紧。

压紧弹簧是截面呈一种轴对称结构的“Z”形压紧圆环，在上表面外侧和下表面内侧均设计有中心对称的圆弧凸起接触结构， 上表面内侧有一定倾斜的倒角。 压紧弹簧采用马氏体不锈钢材料，其设计温度为343.3 ℃，安全等级为 LS 级，抗震类别为Ⅰ级[1]，长期工作于反应堆内部高温、高压、高辐射的恶劣工况。

图1 压紧弹簧安装位置图

在反应堆安装时，压力容器顶盖通过主螺栓拧紧顶盖时， 通过上支承法兰同时对压紧弹簧进行预紧，压紧弹簧的压紧力一方面作用于吊篮法兰上表面，防止下部堆内构件运行时发生向上窜动，另一方面作用于上支承法兰下表面，防止上部堆内构件运行时发生向下窜动，同时在运行时可通过压紧弹簧压缩量补偿压力容器和堆内构件法兰制造、装配以及热膨胀引起的变形，压紧弹簧的压紧力根据设计需求进行调整控制，从而保证堆内构件的定位与功能。

2 压紧弹簧性能分析

2.1 压紧力分析

反应堆运行时，堆内构件受自身重重力、浮力、水力冲击载荷和燃料组件相关作用力等，压紧弹簧的压紧力通过吊篮法兰、 上支承法兰分别对下部堆内构件、上部堆内构件的作用力进行平衡，以确保堆内构件被压紧，压紧弹簧的受力如下图2 所示。

图2 压紧弹簧受力示意图

在稳态运行时，压紧弹簧受较大的压紧力，其受压变形的力学模型可简化为梁受力模型[2]，压紧弹簧上、下面两个接触点等效为施力点，弹簧截面中心面定义为中性面，结合压紧弹簧结构尺寸，根据材料力学推导，压紧弹簧压紧力F 与轴向变形量δ 之间的关系为：

式中：F—压紧弹簧压紧力；

δ—压紧弹簧轴向压缩量；

E—压紧弹簧材料弹性模量；

I—压紧弹簧断面对中性轴的惯性矩；

L—压紧弹簧上、下表面接触点之间径向距离；

D0—压紧弹簧平均直径。

上式中，L、B、H、D0具体示例见上图2 所示，由此压紧弹簧的刚度可以定义为4πEI/（L2D0），在所用结构材料确定的前提下，压紧弹簧的压紧力由弹簧刚度和压缩量决定，压缩量的确定与堆内构件、压力容器整体结构配合尺寸的要求有关， 因此在压缩量一定时，需通过控制压紧弹簧刚度以满足压紧力要求。

2.2 性能影响因素分析

从上文分析可知，弹簧刚度与压紧弹簧结构设计相关，在材料一定的前提下，根据定义的弹簧刚度计算方程，其与结构中性轴惯性矩、上下接触点之间径向距离、压紧弹簧平均直径，其中，中性轴惯性矩由压紧弹簧本身结构决定，即与压紧弹簧的宽度B、高度H有关，下面将以目前国内运行的某核电反应堆压紧弹簧结构尺寸为基础，对各参数的变化影响进行分析。

对于压紧弹簧外形尺寸的影响，在保持其他结构尺寸不变前提下，通过改变压紧弹簧的宽度B、高度H尺寸，获得其与压紧弹簧刚度的关系曲线如图3 和图4 所示。

图3 压紧弹簧宽度与刚度的关系

图4 压紧弹簧高度与刚度的关系

由图3 和图4 可以看出， 在其他结构尺寸一定的情况下，压紧弹簧的刚度随着其宽度B、高度H 增加而不断提高，因此在压紧弹簧结构设计时，可通过控制压紧弹簧的外形尺寸来调整弹簧刚度值，以满足堆内构件设计对压紧弹簧的压紧力的要求。

在式（1）和分析中，并未考虑压紧弹簧与吊篮法兰及上支承法兰表面接触的水平摩擦力影响，但在实际制造和运行中，上下接触表面并非光滑，有一定粗糙度，存在水平摩擦力，根据相关推导，将公式（1）改进为：

式中：μ—接触摩擦系数；

C—接触点到中性轴距离。

对于水平接触摩擦力的影响，在保持结构尺寸不变前提下，改变压紧弹簧与吊篮法兰及上支承法兰表面接触的摩擦系数，获得摩擦系数与弹簧刚度的关系曲线如图5 所示。

图5 摩擦系数与压紧弹簧刚度的关系

由图5 可以看出， 在压紧弹簧结构尺寸一定时，压紧弹簧的刚度随着接触面摩擦系数增加而不断提高，目前根据在役核电反应堆经验反馈，通常摩擦系数取值在0～0.6 范围内较为贴近工程实际， 因此压紧弹簧结构设计和制造时，应根据实际情况对压紧弹簧表面粗糙度进行合理选择以便控制接触摩擦系数。

对于压紧弹簧上下接触点之间径向距离的影响，基于考虑摩擦系数的计算公式（2），分别取摩擦系数为0、0.3 和0.15，在保持其他结构尺寸不变前提下，改变压紧弹簧上下接触点之间径向距离，获得不同摩擦系数下，其与压紧弹簧刚度的关系曲线如图6 所示。

图6 压紧弹簧上下接触点之间径向距离与弹簧刚度的关系

由图6 可以看出，在其他结构尺寸一定时，各摩擦系数下的压紧弹簧刚度均随着上下接触点之间径向距离增加而不断降低， 在压紧弹簧结构设计时，除可控制压紧弹簧的外形尺寸外，也可通过控制压紧弹簧上下接触点之间径向距离来调整压紧弹簧刚度，因此需综合考虑结构、安装位置、所需载荷等因素确定压紧弹簧的结构设计尺寸。

3 结语

压紧弹簧工作于高温高压环境，长期受较大轴向压紧载荷作用，其对堆内构件定位、功能和反应堆安全运行具有重要影响。 本文对压紧弹簧的结构特点和受力情况进行了分析，基于机械设计和材料力学推导确定了压紧弹簧压紧力计算方法，完成了压紧弹簧设计影响因素的分析。

通过本文的研究结果表明，影响压紧弹簧刚度性能的因素有材料的特性、接触摩擦系数、弹簧截面形状及上下接触点之间径向距离等。 在相关结构尺寸和材料一定的情况下， 压紧弹簧的刚度随着弹簧宽度、高度和摩擦系数的增加而提高，随着上下接触点之间径向距离的增加而降低， 设计时应结合吊篮法兰、 上支承法兰的强度及相关部件的空间位置尺寸确定合理的压紧弹簧结构设计尺寸， 确保堆内构件在各工况下的正常功能。 通过本文的分析计算，为反应堆堆内压紧弹簧的合理设计提供了方向， 具有一定参考意义。