某核电止回阀开启过程中的瞬态流动与结构特征

为研究某核电止回阀在开启过程中的流动特征与部件的力学特征，采用商用计算流体动力学软件ANSYS Fluent和用户自定义函数（UDF），模拟了该阀门在高压工况下开启过程中的内部流动。在不同开度条件下采用流固耦合方法对阀门部件的力学行为进行了模拟，分析了阀体及阀芯的应力分布及变形情况。结果表明，随着阀门开度增大，过流断面的喉部与阀门出口出现高速区域；阀门入口段呈现较高的压力梯度；阀体上的最严重变形出现在喉部，变形量随开度变化呈现波动趋势；最大等效应力出现在阀门入口弯管处且最大等效应力随开度增加而减小；阀芯的最大变形量出现在靠近进口的一侧；最大等效应力出现在阀芯与弹簧接触区域，其随开度的增加呈现波动增长趋势。      

偏心率对核主泵叶轮口环密封激励力的影响研究

为探究转子偏心率对核主泵转子密封激励力的影响,基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,选取平面密封、迷宫密封和螺旋密封3种口环结构方案,对核主泵口环间隙内部流动进行数值计算,得到口环间隙区域压力、泄漏量及其密封激励力的分布规律。结果表明,模型泵性能预测值和试验值较为吻合,扬程最大误差为4.78%。在转子无偏心时,相对于平面密封,采用螺旋密封方案时口环泄漏量显著降低93.1%,而密封激励力增加63%。偏心率为10%时,口环压力分布沿周向较为均匀;当偏心率为30%时,周向靠近偏心位置处,口环间隙内部产生带状压力突升区,相对于无偏心方案,平面密封的泄漏量显著降低43.6%,而密封激励力增大4.4倍,迷宫密封和螺旋密封方案可显著降低转子偏心产生的密封激励力,其中迷宫密封可显著降低55%;偏心率为50%时,口环间隙内部带状压力突升区域偏向高压侧。本数值预测方法为揭示偏心转子对核主泵口环密封激励力的影响提供理论依据。      

核电阀门密封石墨填料的60Coγ辐照实验研究

根据中华人民共和国国务院令第500号《民用核安全设备监督管理条例》的指引精神,要保证民用核设施的安全运行,促进核能事业的顺利发展。现运营或在建核电厂,列装最多的设备是阀门,也是电站安全运营的重中之重。核电厂常用有动力驱动阀、自驱动止回阀、安全泄压阀与手动阀等。核电阀门是高频次、角动或往复运动密封形式,大多以柔性石墨模压填料进行核介质密封与防泄漏。本文在⁶⁰Coγ射线不同剂量辐射下柔性石墨材料和密封填料制品的机械-力学性能变化机制下,对比分析了核级石墨填料﹑抗氧化石墨填料﹑浸渍润滑剂石墨填料等密封制品以及柔性石墨材料在辐照之后的性能变化。其实验研究结果,发现了基于密封泄漏率优选不同的密封填料环及摩擦副配对的组合形式,采用抗磨自润滑改性技术可提升核电阀门密封可靠性,是杜绝核泄漏事故发生的关键措施。     

石墨垫片密封泄漏率计算方法研究

为完善核级主设备密封分析及设计方法,基于稳压器人孔密封结构建立了密封数值分析模型,对石墨垫片密封接触应力进行了分析研究;结合平行圆板流动模型和多孔介质渗流模型建立了石墨垫片密封质量泄漏率理论预测模型;基于理论预测模型计算了设计工况、试验工况和启动瞬态工况下的质量泄漏率,对主要影响参数进行了分析和讨论。研究结果表明,石墨垫片密封接触应力沿周向分布较为均匀,而石墨环沿径向的中间区域接触应力值略低于石墨环两侧;在温度和压力上升瞬态中,密封接触应力随时间呈现出下降的规律,密封质量泄漏率与接触应力呈负相关,增大密封接触应力可以降低质量泄漏率,但降低效率逐渐减小,减小粗糙度可以显著降低质量泄漏率。本文分析方法可为核级主设备密封泄漏率分析和紧密度评价提供重要参考。     

核反应堆压力容器主密封瞬态性能研究

为研究核反应堆压力容器主密封瞬态力学特性和密封性能，本文建立了主密封结构三维数值模型，分析了主密封组件在典型瞬态条件下的温度和应力分布特性，从法兰和主螺栓变形协调机理角度，研究了主螺栓应力在瞬态条件下的变化规律及内在原因，总结了密封面处法兰轴向分离量变化机制，并对瞬态循环条件下密封面累积塑性变形和法兰分离量演化规律进行了预测研究。研究结果表明，温度滞后效应导致主螺栓在瞬态条件下应力交变幅值大；瞬态温度和压力对密封面处分离量影响很大，急速升压会使得分离量快速增大；在启停堆瞬态循环作用下，密封面处分离量曲线呈现周期性特征，经历若干次循环后分离量曲线达到稳定，密封面局部弹塑性变形达到安定，整体塑性变形分布趋于均匀。     

反应堆冷却剂泵动压机械密封的工程开发与应用

反应堆冷却剂泵（以下简称主泵）轴密封由3级相同的动压机械密封串联组成，是主泵的心脏，其泄漏量直接决定主泵能否正常运行。本文提出了一种新型的挤压变形研磨法完成动压机械密封的制造，应用挤压变形工装和金属垫片使静环产生变形，在密封端面研磨出9个波形槽。功能实验表明，新型的机械密封在考核压力下的低压泄漏量满足主泵轴密封的设计要求；压力突变工况下的冲击考核实验表明，新型的动压机械密封摩擦副之间的液膜刚度未发生破坏，未出现密封失效。本文研发的动压机械密封在核电厂的运行状况与实验结果完全吻合，充分证明了该新型动压机械密封具有极高的工程应用可靠性。      

冷却剂丧失事故下稳压器波动管及人孔结构的失效机理研究

稳压器是核反应堆进行压力控制和保护的重要设备,冷却剂丧失事故（LOCA）产生的巨大冲击可能造成其关键部位的结构失效。通过多场耦合计算方法,对小破口LOCA下稳压器波动管的流动传热和结构应力、人孔结构的温度分布和密封性能进行了三维瞬态数值模拟,分析了其失效机理。结果表明：高温流体快速流入波动管形成了巨大的瞬时载荷,造成了管道短时间的强烈振动,管道中间部位变形最大,可能破坏管道支撑结构;各部位等效应力快速增大,与主管道的接管部位出现了集中应力现象,较大的应力波动会影响其寿命;人孔结构出现较大的温度分布不均匀性,密封结构下垫片的密封性能变化最大,在100 s前后其内、外侧密封面接触压力都降至设计密封比压值以下,即出现泄漏。本文根据分析结果提出了波动管和人孔结构的改进建议,可为船用核动力装置发生小破口LOCA后的事故缓解提供技术借鉴。     

蒸汽发生器试验本体快速冷却过程中主蒸汽法兰泄漏有限元分析

采用线弹性瞬态热固耦合有限元方法对高温气冷堆蒸汽发生器试验本体主蒸汽法兰在快速降温试验过程中出现的泄漏现象进行了分析。建立了主蒸汽联箱及法兰螺栓连接模型，模拟了主蒸汽法兰的预紧、加压、升温和瞬态降温过程，分析得出了导致法兰密封结构泄漏的主要因素是快速降温过程中法兰的局部变形及螺栓残余预紧力降低，导致密封面张开量大于金属O型环的可靠密封回弹量。在此基础上模拟了不同降温速率下法兰密封面的张开位移，结果表明，限制蒸汽降温速率可改善压力容器法兰的密封性能。     

核级承压设备密封结构的有限元分析

在AP1000反应堆系统中,很多设备具有承压的功能,其密封性能直接关系到系统能否正常运行,因而密封失效是较之弹塑性失效、疲劳失效等更为基本的失效形式。在ASME规范中采用的密封结构设计方法是华脱尔斯法,此方法采用了一些保守的经验和假设,无法对密封结构处的变形和应力进行细致的计算。本文采用ANSYS有限元分析软件对核承压设备典型的密封结构进行了建模计算,提出了在有限元模型中螺栓预紧力和垫片的等效处理方法,能够对密封结构处垫片的回弹量、法兰的变形及应力分布进行预测。模型分析了采用华脱尔斯法进行密封设计时的设计余量,得到了垫片回弹量与设备内压之间的关系,对于核级承压设备密封结构的设计具有一定的借鉴意义。     

超临界二氧化碳喷射器结构设计与性能研究

在不额外消耗机械功的条件下，为了尽可能消除超临界二氧化碳涡轮系统中产生的泄漏气体对循环稳定性的负面影响，本文基于等压混合理论和双壅塞临界状态设计了可将泄露气体加压输送回循环的喷射器结构，使用计算流体力学软件Fluent对该模型进行数值模拟，分析喷射器的性能，探究尺寸参数对喷射器性能的影响。结果表明，四级串联的喷射器能依次将0.5 MPa泄漏气体加压至2.0、4.4、6.0、8.0 MPa，实现泄漏气体的回收利用；喷射器背压小于临界压力时，引射比不受背压影响，喷射器背压大于临界压力时，引射比随背压的增大而急剧减小；引射比随入口截面的减小而增大，随喷嘴收缩角的增大先增大后减小，在收缩角为20°时，引射比达到最大。     

核电厂一回路压力边界止回阀在线密封性能测试

320 MW压水堆一回路压力边界止回阀为核Ⅰ级关键设备,严密性要求非常高,直接关系到主系统的内泄漏率.焊接式止回阀维修后常采用密封面色印检查的方式,对其密封性能进行判断.如果管道内有存水或者湿热水汽,会影响到色印检查的准确度.针对在线止回阀密封性试验的特殊性,有的核电厂采用水压压降法试验设计过在线检测装置,但存在一些缺点和使用上的限制.文章采用低压气密封试验流量测定法,设计出可靠、便携的试验装置,对压力边界止回阀检修后密封性做出准确、定量的判断.     

VELAN气动阀典型故障分析及处理措施研究

某核电厂工程安装调试期间，VELAN气动阀出现阀瓣开裂和气动头漏气的典型故障。经分析可知阀瓣开裂的根本原因为阀瓣制造过程中存在焊接质量缺陷，导致脆性增高，加之阀门在使用过程中受到过载应力作用，发生脆性开裂。处理措施为更换阀瓣组件和填料，并进行密封性试验。气动头漏气根本原因为O环尺寸存在偏差，压缩量不足导致漏气，处理措施为增大气动杆中心螺母力矩，进行力矩紧固，紧固完成后再次进行密封试验，或测量补偿环的厚度以及O环尺寸并进行处理，如更换补偿环或O环。通过以上措施，VELAN气动阀典型故障得到有效处理，对后续类似问题的分析及处理提供了参考和借鉴。      

基于泄漏率的核设备密封技术研究

本文以稳压器双锥密封结构为对象,采用多线性随动强化模型模拟了垫片的压缩回弹力学行为,探究了降温速率和螺栓预紧力变化对密封面接触压力的影响,利用基于泄漏率的密封模型对密封性能进行了科学表征,建立了以最大允许泄漏率为准则的螺栓法兰垫片连接设计方法,解决了依据ASME和GB-150规范密封设计系统在使用过程中多次发生泄漏的问题,为工业领域螺栓法兰密封系统设计提供了新的思路。     

Analysis of potential waterhammer at the Ignalina NPP using thermal–hydraulic and structural analysis codes

The RBMK (Russian acronym for ‘channeled large power reactor’)-1500 reactors at the Ignalina nuclear power plant (NPP) have a series of check valves in the main circulation circuit (MCC) that serve the coolant distribution in the fuel channels. In the case of a hypothetical guillotine break of pipelines upstream of the group distribution headers (GDH), the check valves and adjusted piping integrity is a key issue for the reactor safety during the rapid closure of check valve. An analysis of the waterhammer effect (i.e. the pressure pulse generated by the valves slamming closed) is needed. The thermal–hydraulic and structural analysis of waterhammer effects following the guillotine break of pipelines at the Ignalina NPP with RBMK-1500 reactors was conducted by employing the RELAP5 and PipePlus codes. Results of the analysis demonstrated that the maximum values of the pressure pulses generated by the check valve closure following the hypothetical accidents remain far below the value of pressure of the hydraulic tests, which are performed at the NPP and the risk of failure of the check valves or associated pipelines is low. Sensitivity analysis of pressure pulse dependencies on calculation time step and check valve closure time was performed. Results of RELAP5 calculations are benchmarked against waterhammer transient data obtained by employing structural mechanics code BOS fluids.     

控制棒驱动机构石墨密封组件设计与密封性能验证

控制棒驱动机构（CRDM）检修及堆芯换料时都需要多次拆卸CRDM的耐压壳体,为解决现有耐压壳体Ω密封焊缝泄漏以及不能多次拆卸的问题,本文采用螺母压紧石墨环方案,利用石墨环的压缩回弹性能防止冷却剂泄漏,并设计一种石墨环密封组件实现快速拆卸;通过开展密封环压缩回弹测试、应力松弛测试以及密封组件泄漏率等密封性能测试试验对石墨环密封组件的密封性能进行验证。结果表明,本文设计的石墨环密封环组件满足设计要求,可以实现高温高压环境下的密封性能。      

Development of diagnosis algorithm for the check valve with spectral estimations and neural network models using acoustic signals

We have developed a method for detecting and diagnosing a disk wear failure and a foreign object failure among the various failure modes of check valves. The method is based on the acoustic emission sensors which can detect the sound wave of the leakage flow and the estimation of the power spectral densities with an auto-regressive model. For validating the method, we implemented a hydraulic test loop with an artificially failed check valve. We have found that the frequency spectrums from the acoustic signals are strongly dependent on the failure modes of the check valve and that they are nearly independent of the failure size and operating pressure through an estimation of the power spectral density with an auto-regressive signal processing model. In addition, the root mean square values of the acoustic signal and the amplitudes of the power spectral density as well as the loop pressure have a strong dependency on the failure size in each failure mode of the check valve. We developed a diagnosis algorithm by using neural network models in order to identify the type and size of the failure in the check valve. The diagnosis algorithm consists of a hierarchical model composed of three back-propagation neural networks. The results of our research and the experiments show that the diagnosis algorithm is proven to be a good solution for identifying the failures of the check valves without any disassembling work.     

Stress and thickness calculation of a bolted flat cover with double metal sealing rings

The design of a bolted flat cover is extremely important for the structural integrity of pressure vessels.The present design codes provide the thickness calculation equations for a bolted flat cover with single metal gasket.However,the rules for a bolted flat cover with double metal sealing rings are not developed to date.In the study,a new thickness calculation equation for the bolted flat cover with double metal sealing rings is proposed.First,the theoretical stress solution for bolted flat cover with the double metal sealing rings is obtained,based on the theory of simply supported circular plate and then verified using the results from finite element analyses.The results indicate that the influence of double metal sealing ring on the stress of the flat cover is more serious compared to single metal gasket.Second,a more accurate and reasonable equation is proposed to calculate the thickness of bolted flat cover with double metal sealing rings based on the derived theoretical equations of maximum stress.Finally,the influence of linear load and the spacing between rings on the thickness are discussed.Subsequently,a few suggestions are provided to design low-pressure or atmosphere pressure vessels.The study provides a theoretical foundation to develop design codes of pressure vessels in nuclear reactors.     

CPR1000全厂断电叠加蒸汽发生器安全阀误开启事故引起的严重事故分析

利用MELCOR程序对CPR1000全厂断电叠加蒸汽发生器(SG)安全阀误开启事故引发的严重事故进行建模与分析,初步实现了对CPR1000严重事故进程的仿真计算与模拟。文中重点分析了无轴封泄漏和辅助给水、有轴封泄漏和辅助给水、有轴封泄漏但无辅助给水3种不同假设条件下CPR1000全厂断电严重事故的响应进程和结果。计算结果显示,SG安全阀误开启对事故进程有重要影响。在无轴封泄漏和辅助给水的情况下,压力容器在9576 s失效;当存在辅助给水时,压力容器失效延后近30000 s;而当存在轴封泄漏时,压力容器失效延后50 s左右。结果证明了发生全场断电叠加SG安全阀误开启事故情况下辅助给水和轴封泄漏对事故起到有效缓解作用。