一種壓水堆反應堆壓力容器上封頭的製作方法

2023-07-05 18:00:51 3

本實用新型屬於核反應堆壓力容器零部件領域，特別涉及一種壓水堆反應堆壓力容器上封頭。

背景技術：

壓水堆反應堆壓力容器用於固定和包容堆芯及堆內構件，並將核燃料的裂變反應限制在一個密封的空間內，其與蒸汽發生器、冷卻劑泵以及一迴路管道等共同構成反應堆冷卻劑的壓力邊界，是防止放射性物質外逸的多道屏障之一。

壓水堆反應堆壓力容器殼體從上到下通常由上封頭、接管筒體、進出口接管、堆芯筒體、過渡段和下封頭等鍛件組焊、連接而成，其內表面堆焊奧氏體不鏽鋼。對於上封頭來說，其設計大致有三種類型。

早期的上封頭採用平封頭，可以同時起到法蘭的作用，其具有屏蔽效果好，控制棒驅動機構驅動座貫穿件密封焊坡口對稱，使得焊接變形量容易控制等優點，參見附圖1。然而，由於平封頭本身受力情況不好，導致設計厚度及重量過大，因此後來逐漸被球形上封頭所取代。

球形上封頭主體為半球殼形，其邊緣處設有法蘭，由於工藝水平的限制，球形上封頭起初採用了分體式結構，即封頭上部和法蘭分別加工成型後焊接在一起，參見附圖2。該製造工藝簡單易行，所得球形上封頭受力情況較好，重量較輕。但由於存在一條環形焊縫，因此降低了上封頭的安全性，同時增加了在役檢查的工作量和工作人員輻射吸收劑量。

隨著工藝水平的提升，分體式球形上封頭後來被整體式球形上封頭所取代，參見附圖3。整體式球形上封頭在形狀上與分體式球形上封頭相同，但採用了整體鍛造工藝，取消了環形焊縫，具有較好的安全性，降低了在役檢查的工作量。目前，我國三代核電站主要採用整體式球形上封頭設計，如三門核電站、海陽核電站。

上述三種類型上封頭的特點對比列於下表：

然而，無論分體式球形上封頭還是整體式球形上封頭仍然存在以下問題：由於上封頭中部需要設置一組豎直的控制棒驅動機構驅動座貫穿件，其垂直度要求很高，隨著徑向位置的變化，各貫穿件與上封頭曲面的交角會發生變化，因此在對上封頭和貫穿件之間進行密封焊時，除正中心外，其餘焊縫將是多個形狀各異的非平面空間曲線，導緻密封焊時熱輸入不對稱，焊接難度非常大，焊接變形量極難控制。球形上封頭與貫穿件密封焊的焊接方式參見附圖4。實踐證明，反應堆壓力容器運行過程中容易發生洩漏的地方，絕大部分均出現在此類焊接部位。

技術實現要素：

為解決現有壓水堆反應堆壓力容器上封頭存在的焊接難度大等問題，本實用新型提供了一種壓水堆反應堆壓力容器上封頭。

該壓水堆反應堆壓力容器上封頭採用軸對稱結構，包括球缺段、過渡段和法蘭段；所述球缺段的球缺曲面向上，平面向下，球缺段上設有控制棒驅動機構驅動座貫穿件開孔；所述法蘭段採用圓形法蘭；球缺段和法蘭段之間通過所述過渡段連接。

通過採用球缺型設計，使得控制棒驅動機構驅動座貫穿件與上封頭之間的密封焊焊縫由多個形狀各異的非平面空間曲線型轉變為形狀均相同的平面型，顯著降低了異種金屬間密封焊的焊接變形量控制難度，從而較好確保了焊接質量。與此同時，球缺型設計還使得上封頭的頂部厚度較球形上封頭有明顯增加，而其整體厚度和重量又遠遠低於平封頭，受力情況也較平封頭有大幅改善，從而以較小的代價獲得了較佳的頂屏蔽效果。

進一步地，所述過渡段的內表面為球面上的環形曲面，並且過渡段內表面所在球面與所述球缺段的球缺曲面所在的球面同心；過渡段內表面上方與球缺段的平面相連接，並採用圓弧過渡；過渡段內表面下方與法蘭段相連接，並採用圓弧過渡；所述過渡段外表面由與所述球缺曲面共軸的圓錐側面的一段構成，該圓錐的側面與所述球缺曲面相切並形成一個相切的圓，過渡段外表面即為該相切的圓至法蘭段上表面的圓錐側面部分；過渡段外表面與法蘭段之間的夾角採用圓弧過渡。

過渡段「外錐內圓」的結構設計，相對於等壁厚過渡結構，可有效提高上封頭整體剛性，減小各種工況下反應堆壓力容器密封面的軸向分離量，非常有利於降低密封難度。

進一步地，所述壓水堆反應堆壓力容器上封頭採用整體鍛件製造，無拼接焊縫。

上封頭整體鍛造製造能夠顯著減少在役檢查工作量，確保了安全性，顯著降低了在役檢查的工作量和工作人員輻射吸收劑量。

本實用新型的壓水堆反應堆壓力容器上封頭通過採用球缺形結構和設計合理的過渡段，極大降低了控制棒驅動機構驅動座貫穿件與上封頭之間的密封焊焊接難度，確保了焊接質量；在少量增重的情況下使得上封頭頂屏蔽效果和受力情況均獲得了大幅改善，有效提高了上封頭整體剛性，有利於反應堆壓力容器的密封；減少了役前和在役檢查工作量，可有效減少檢查人員操作劑量，上封頭的安全性也獲得了明顯改善。

本實用新型的壓水堆反應堆壓力容器上封頭可應用於各種壓水堆核電廠，尤其適合小型反應堆核動力裝置，如海洋核動力平臺、核動力破冰船、艦艇核動力等。

附圖說明

圖1平封頭式上封頭縱剖圖。

圖2分體式球形上封頭縱剖圖。

圖3整體式球形上封頭縱剖圖。

圖4球形上封頭與控制棒驅動機構驅動座貫穿件密封焊示意圖。

圖5本實用新型的壓水堆反應堆壓力容器上封頭縱剖圖。

圖6本實用新型的壓水堆反應堆壓力容器上封頭俯視圖。

圖7本實用新型的壓水堆反應堆壓力容器上封頭與控制棒驅動機構驅動座貫穿件密封焊示意圖。

附圖標記：1.控制棒驅動機構驅動座貫穿件開孔，2.球缺段，3.過渡段，4.法蘭孔，5.法蘭段，6.上封頭，7.不鏽鋼或鎳基合金堆焊層，8.鎳基隔離層，9.控制棒驅動機構驅動座貫穿件，10.平面型焊縫，11.非平面空間曲線型焊縫。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本實用新型的實施方式做進一步的說明。

實施例

本實用新型的壓水堆反應堆壓力容器上封頭採用軸對稱結構，包括球缺段2、過渡段3和法蘭段5；所述球缺段2的球缺曲面向上，平面向下；球缺曲面所在圓的圓心為O，半徑為SR1；球缺段2的平面為圓形，其表面堆焊有不鏽鋼或鎳基合金，也可作為反應堆壓力容器的參考基準平面；球缺段2上設有控制棒驅動機構驅動座貫穿件開孔1；球缺段2的平面大小可根據貫穿件開孔區域的尺寸和焊接操作空間的需求確定；所述法蘭段5採用圓形法蘭；球缺段2和法蘭段5之間通過所述過渡段3連接；所述法蘭段5上開有法蘭孔4。

所述過渡段3的內表面為球面上的環形曲面，並且過渡段3內表面所在球面與所述球缺段2的球缺曲面所在的球面同心，所述環形曲面的半徑為SR2；過渡段3內表面上方與球缺段2的平面相連接，並採用圓弧過渡，圓弧半徑為SR4；過渡段3內表面下方與法蘭段5相連接，並採用圓弧過渡，圓弧半徑為SR3；所述過渡段3外表面由與所述球缺曲面共軸的圓錐側面的一段構成，該圓錐的側面與所述球缺曲面相切並形成一個相切的圓，過渡段3外表面即為該相切的圓至法蘭段5上表面的圓錐側面部分；過渡段3外表面與法蘭段5之間的夾角採用圓弧過渡，圓弧半徑為SR5。

所述壓水堆反應堆壓力容器上封頭可以採用整體鍛件製造，無拼接焊縫。

本實用新型的壓水堆反應堆壓力容器上封頭與控制棒驅動機構驅動座貫穿件9之間可以採用如下技術方案進行密封焊：首先，在上封頭6的控制棒驅動機構驅動座貫穿件開孔1下緣開J型坡口；接下來，將控制棒驅動機構驅動座貫穿件9採用冷裝置入並定位，裝配結束後進行尺寸檢查；然後，在坡口內堆焊鎳基隔離層8，並進行相應無損檢測；最後，按照設計要求完成焊接。