分體式新燃料元件乾式貯存架設計系統的開發論文
分體式新燃料元件乾式貯存架設計系統的開發論文
分體式新燃料元件乾式貯存架（以下簡稱貯存架）主要用於反應堆換料用新燃料元件入堆前的吊掛貯存，安裝在新燃料貯存間內，採用U型結構佈局，三面靠牆，透過強力膨脹螺栓與貯存間的地面和牆體連線，提高了貯存架結構強度和抗震性。其基體材料為碳鋼，表面塗層材料為奧氏體不鏽鋼，兼顧了強度、製造工藝和耐腐蝕效能的要求，不汙染新燃料元件。新燃料元件採用一體式吊掛方式即將吊掛工具（新燃料元件操作工具）與燃料元件一起吊掛在貯存架上，貯存架具備合理的結構，在可能出現的事故工況下，均能安全、可靠地實現新燃料元件貯存。
目前國內外已經有類似貯存架產品，但是存在土建工作量大或者吊掛操作困難、抗震性差等不足之處，因此利用先進的設計技術，材料技術研製一種更高效、可靠的貯存架實現反應堆換料用新燃料元件入堆前的吊掛貯存，是十分必要的。
該文設計的貯存架，較好地滿足了反應堆換料用新燃料元件入堆前的吊掛貯存要求，該貯存架的研製完成和投入使用，較好地滿足了工程任務的需求，對於核電裝置國產化有著重要的意義。
1 國內外情況概述
國內外一般有兩種結構的新燃料貯存架，一種為貯存管式即新燃料貯存架採用貯存小室（貯存管）方式，在貯存小室的頂部設有導向口，與小室貯腔之間平滑過渡，且腔體內表面光滑，保證了當吊運新燃料元件在貯存小室上方就位時，新燃料元件能夠順利安全地插入貯存小室中，可以方便地垂直裝卸新燃料元件，並且不會發生故障或燃料元件破損危險；下部構件和混凝土基礎臺，作為承重基礎支撐整個貯存，常用於地坑安裝方式（見圖1）。
該貯存格架的缺點是：該結構土建工程量大，佔用面積大，貯存小室為封閉結構，清潔、檢查困難，新燃料元件存放或者吊離貯存格架時需要準確對中，且易與貯存小室內壁擦掛，增加操作難度，新燃料元件採用坐底貯存方式，結構件受力大，對燃料元件安放水平度和垂直度要求高，不利於新燃料元件的長期存放。安裝位置低不具備防水淹功能。
另一種結構是貯存架由成對的背靠背的貯存單元排列組成，燃料元件被安放在一個貯存單元上（或者吊掛在掛鉤上），有的燃料元件也是採用這種貯存方式（見圖2）。
該貯存架的缺點是：新燃料元件採用坐底貯存方式，結構件受力大，對燃料元件安放水平度和垂直度要求高，不利於新燃料元件的長期存放。安裝位置低不具備防水淹功能。整個貯存架僅底部與地面連線，重心高，抗振動、抗搖擺能力弱。
2 關鍵技術
本貯存架需要解決的關鍵技術主要有兩個：
（1）基於穩健可靠性最佳化設計的分體式設計技術；
（2）耐腐蝕金屬塗層技術。
3 研製方案及技術途徑
3.1 研製方案
透過國內、外貯存架調研分析，結合現場環境、工作進度等實際情況及以往燃料元件貯存架設計、製造經驗，根據反應堆換料用新燃料元件入堆前的貯存要求，開展新型燃料元件方案論證，確定了貯存架設計方案即採用鋼結構分體式方案，首先由製造廠完成結構單元的製造，然後運輸到現場組裝。
3.2 穩健可靠性最佳化設計
穩健設計（也稱為魯棒設計、健壯設計等），是在日本學者田口玄一提出的三次設計法上發展起來的、低成本、高穩定性的產品設計方法，致力於提高流程或產品的可靠性，它透過調整設計變數及控制其容差使可控因素和不可控因素當與設計值發生變差時仍能保證產品質量的一種工程方法，即透過穩健設計，可以使產品的效能對各種噪聲因素的不可預測的變化，擁有很強的抗干擾能力，產品效能將保持穩定和可靠。
本貯存架基於Autodesk Inventor三維設計軟體建立三維數字樣機，以機械桁架設計、有限元分析、可靠性設計、穩健設計為核心，運用成熟的計算機圖形技術，將產品各零部件的設計和分析整合在一起，完成基於計算機虛擬現實的研究平臺，根據理論計算分析結果及與已證實的類似設計比較，最佳化貯存架的結構形式及各部件的佈置方式，模擬檢查貯存架的裝配和安裝模擬過程，完成貯存架的設計。
3.3 技術路線
貯存架是一個U形框架鋼結構件，主要由槽鋼、角鋼焊接而成，表面採用不鏽鋼耐腐蝕塗層，可以分解為小尺寸單元部件進行組裝和運輸。操作人員利用吊車將新燃料元件連同元件吊具吊運至貯存架的某個懸掛點，然後將吊掛在貯存架上（見圖3）。
3.3.1 一體式吊掛方式
採用一體式吊掛方式貯存新燃料元件，即首先使用吊掛工具（新燃料元件操作工具）與燃料元件鎖緊連線，然後將吊掛工具（新燃料元件操作工具）與燃料元件一起吊掛在貯存架上，由於新燃料元件距離地面高度較高，具備防水淹、防磕碰功能，提高了安全性。
3.3.2 6σ穩健可靠性最佳化設計
穩健最佳化設計主要採用減小響應偏差的方法來滿足約束條件。穩健設計是將6σ質量管理、可靠性設計和穩健設計相結合的一種現代設計方法，它要求產品質量在均值6σ範圍波動時，均能滿足設計要求。實質是將可靠性設計和基於容差模型的穩健設計相結合，達到減小目標函式值，降低目標函式對不確定性因素的敏感性，即使目標函式響應均方差減小，實現“均值達到目標”和“均方差最小化”的目的。一般來說，穩健最佳化設計要達到2個目的：
（1）使產品質量特性的均值儘可能達到目標值。
（2）使由干擾因素引起的效能波動的方差儘可能小。
因此，工程設計中穩健設計模型為雙目標最佳化問題，數學模型為：
當時，即為6σ穩健設計。與常規確定性最佳化方法相比，6σ穩健設計的目標函式，加入了目標和約束條件的標準差。該方法不但能尋找到目標函式最優解，而且還使得目標對設計引數變得不敏感。對於各約束，加入約束函式和設計引數的標準差，可使得最優點在搜尋的過程中遠離約束邊界，提升為6σ水平，以有效地增大可靠度，然而，設計引數的可行域也隨之而減小範圍。因此，要適當擴大設計引數可行域，就有必要在目標函式中加入約束條件的'標準差。
3.3.3 設計流程
設計流程如下：
（1）確定設計區域，選擇合適的設計變數、目標函式以及約束函式等其他邊界條件。
（2）結構離散化，進行有限元分析，獲取目標函式、約束函式及設計變數對目標函式變化的敏度資訊。
（3）根據得到的資訊，用合適的最佳化，計算出當前的設計變數的新值。
（4）根據終止準則判斷最佳化結果是否收斂，如果不收斂，重複（2）到（4），如果收斂，則終止迭代。
（5）可靠穩健後處理，得到最優的形式。
圖4給出了可靠性穩健設計設計的基本流程。
3.3.4 結構單元設計
貯存架如圖5所示，由槽鋼焊接組成的鋼架結構。結構材料奧氏體不鏽鋼，要求分別在結構體積不變條件下尋找具有最大剛度的強度指標和結構。初始設計空間的有限元模型如圖5所示。
3.3.5 結構單元最佳化結果
採用Autodesk Inventor設計分析模組進行可靠穩健計算，最佳化迭代20次後得到最佳化結果。迭代20次後，結構的趨於平穩，同時材料由奧氏體不鏽鋼0Cr18Ni9（屈服強度205 MPa）更改為碳鋼Q235表面熱噴塗奧氏體不鏽鋼0Cr18Ni9（屈服強度235 MPa），即此時的貯存架強度較初步設計提高30%。如圖6所示。
3.3.6 不鏽鋼耐腐蝕塗層技術
在碳鋼（槽鋼或者角鋼）基體上，採用熱噴塗工藝塗覆一層奧氏體不鏽鋼耐腐蝕塗層，塗層分為鎳基合金底層和奧氏體不鏽鋼表層兩個部分，該結構綜合了碳鋼成本低，加工效能好及不鏽鋼塗層表面硬度高（熱噴塗後），耐磕碰、耐腐蝕性好的優點，特別是對燃料元件無汙染，維護量少，其多方面效能優於常規刷塗油漆工藝（見圖7）。
3.3.7 貯存架最佳化設計
貯存架採用基於穩健可靠性最佳化技術的U型分體式結構佈局，三面靠牆，並採用強力膨脹螺栓與地面和牆體連線，使之與房屋結合為一體，提高了貯存架結構強度和抗震性，較好地利用了現場條件，適應了現場環境。如圖8所示。
4 貯存架效能指標
在貯存架製造過程中根據質保體系、產品設計和製造工藝要求，透過對生產條件的控制（人、機、料、法、環、測等因素）、關鍵工序的控制、計量和檢驗的控制、不合格品的控制，確保了貯存架的製造質量，產品效能指標如下：
（1）貯存架重量：約11 t；
（2）貯存新燃料元件的能力：40組（可以根據需要增加）；
（3）設計使用壽命：30年（免維護）。
5 試驗結果
5.1 負載試驗
對貯存架40個吊勾，進行了250 kg，6 h負載試驗，經檢驗吊勾連線牢固、結構完整、無變形、鬆脫、出現裂紋等現象，滿足技術要求。
5.2 吊裝試驗
用起吊裝置將模擬燃料元件在40個吊掛位置進行吊裝試驗。經檢驗，吊裝試驗執行，操作正常、方便順利，無故障現象，吊裝試驗試結果全部滿足技術要求。
6 工程應用
進行了新燃料元件的轉運以及新燃料元件吊掛貯存在新燃料元件乾式貯存架上工作，經過現場檢查合格，完全滿足設計和貯存技術要求。
7 結語
（1）透過貯存架的試驗和工程應用，證明貯存架設計方案和採用的製造工藝路線是正確合適的，各項指標均達到設計要求，開創了國內分體式貯存架研究和應用先例。
（2）穩健可靠性最佳化設計及虛擬樣機技術的應用，縮短了設計、試驗週期，大大減少了試驗成本，同時提高自主設計開發能力，推動了數字化、資訊化設計在實際工作中的應用。
（3）由於採用分體模組化結構，便於分散製造，集中組裝，在不破壞整體結構的情況下，透過增加新的貯存模組，提高貯存燃料元件數量，具有佔地面積小、安全可靠、操作方便、製造成本低，便於生產製造、安裝、除錯等特點。
（4）不鏽鋼耐腐蝕塗層技術具有耐腐蝕性好、不汙染燃料元件、可長時間免維護，受到使用單位的好評，同時為海洋大氣環境下提高大型鋼結構件耐腐蝕效能，提供了工程案例和經驗，具有較廣泛的軍用、民用市場應用前景。
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