循環(huán)熱載荷下核泵主軸裂紋問題研究.pdf

1、核反應堆冷卻劑循環(huán)泵（簡稱核主泵）是核電站反應堆冷卻系統(tǒng)中的主要承壓邊界，也是核電廠三道用于防止放射性釋放的“安全屏障”中的第二道屏障。作為核電站的“心臟”，核主泵能否安全穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)對反應堆冷卻劑的輸送及堆芯的冷尤為重要。在服役工況下，用來冷卻屏蔽電機轉(zhuǎn)子和定子的低溫冷卻劑會因溫度波動而發(fā)生體積變化，進而與泵腔中的高溫冷卻劑在鍵槽上方主軸發(fā)生冷熱對流，并導致泵軸表面冷熱水混合區(qū)出現(xiàn)不同程度的熱裂紋。因此，探究該區(qū)域熱裂紋的生長、止裂行為

2、及裂紋網(wǎng)的屏蔽效應具有重要工程應用意義。
　　本研究將主軸表面冷熱水混合區(qū)承受的復雜溫度波動邊界條件簡化為正弦循環(huán)熱載荷，采用對流換熱系數(shù)表征了冷卻劑流經(jīng)主軸表面時的對流換熱過程，并依據(jù)所考察工況的特殊性將三維問題簡化成平面應變問題。首先，對不含裂紋的主軸進行了瞬態(tài)熱傳導分析，得到了主軸瞬態(tài)溫度變化規(guī)律、主軸溫度徑向分布及其影響因素。然后，通過對主軸進行熱應力分析，得到了主軸表面瞬態(tài)熱應力的變化規(guī)律和主軸周向熱應力的徑向分布規(guī)律，

3、并進一步討論了其受熱載荷參數(shù)及對流換熱系數(shù)的影響。最后，建立了含不同深度徑向表面裂紋的主軸有限元簡化模型，獲得了主軸瞬態(tài)熱應力強度因子的變化規(guī)律，考察了不同熱載荷參數(shù)和對流換熱系數(shù)下主軸最大熱應力強度因子隨徑向裂紋深度的變化。結(jié)果表明:(1)一定正弦循環(huán)熱載荷作用下，與熱載荷的變化相比，主軸的瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)熱應力及瞬態(tài)熱應力強度因子都會出現(xiàn)一定的遲滯;(2)增大熱載荷頻率、減小熱載荷幅值及在一范圍內(nèi)降低對流換熱系數(shù)都能有效地降低主軸表面

4、的最大熱應力及其變化范圍，進而抑制主軸表面熱裂紋的萌生;(3)循環(huán)熱載荷的頻率是決定熱裂紋深淺的關(guān)鍵因素，熱裂紋的止裂深度隨熱載荷頻率的降低而迅速加大;對流換熱系數(shù)的增減對主軸最大熱應力強度因子有放縮用;熱載荷頻率較大時，熱載荷幅值對主軸止裂深度影響不大，熱載荷頻率較小時，總存在某臨界值，只要熱載荷幅值低于該臨界值，主軸表面就不會出現(xiàn)深裂紋。建立了含兩條及三條徑向表面裂紋的主軸有限元模型，探究了裂紋網(wǎng)的屏蔽效應與徑向裂紋條數(shù)的關(guān)系、裂紋