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分體式新燃料組件干式貯存架設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)論文
分體式新燃料組件干式貯存架（以下簡(jiǎn)稱貯存架）主要用于反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的吊掛貯存，安裝在新燃料貯存間內(nèi)，采用U型結(jié)構(gòu)布局，三面靠墻，通過強(qiáng)力膨脹螺栓與貯存間的地面和墻體連接，提高了貯存架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性。其基體材料為碳鋼，表面涂層材料為奧氏體不銹鋼，兼顧了強(qiáng)度、制造工藝和耐腐蝕性能的要求，不污染新燃料組件。新燃料組件采用一體式吊掛方式即將吊掛工具（新燃料組件操作工具）與燃料組件一起吊掛在貯存架上，貯存架具備合理的結(jié)構(gòu)，在可能出現(xiàn)的事故工況下，均能安全、可靠地實(shí)現(xiàn)新燃料組件貯存。
目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有類似貯存架產(chǎn)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(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，材料技術(shù)研制一種更高效、可靠的貯存架實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的吊掛貯存，是十分必要的。
該文設(shè)計(jì)的貯存架，較好地滿足了反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的吊掛貯存要求，該貯存架的研制完成和投入使用，較好地滿足了工程任務(wù)的需求，對(duì)于核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化有著重要的意義。
1 國(guó)內(nèi)外情況概述
國(guó)內(nèi)外一般有兩種結(jié)構(gòu)的新燃料貯存架，一種為貯存管式即新燃料貯存架采用貯存小室（貯存管）方式，在貯存小室的頂部設(shè)有導(dǎo)向口，與小室貯腔之間平滑過渡，且腔體內(nèi)表面光滑，保證了當(dāng)?shù)踹\(yùn)新燃料組件在貯存小室上方就位時(shí)，新燃料組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組件，并且不會(huì)發(fā)生故障或燃料組件破損危險(xiǎn)；下部構(gòu)件和混凝土基礎(chǔ)臺(tái)，作為承重基礎(chǔ)支撐整個(gè)貯存，常用于地坑安裝方式（見圖1）。
該貯存格架的缺點(diǎn)是：該結(jié)構(gòu)土建工程量大，占用面積大，貯存小室為封閉結(jié)構(gòu)，清潔、檢查困難，新燃料組件存放或者吊離貯存格架時(shí)需要準(zhǔn)確對(duì)中，且易與貯存小室內(nèi)壁擦掛，增加操作難度，新燃料組件采用坐底貯存方式，結(jié)構(gòu)件受力大，對(duì)燃料組件安放水平度和垂直度要求高，不利于新燃料組件的長(zhǎng)期存放。安裝位置低不具備防水淹功能。
另一種結(jié)構(gòu)是貯存架由成對(duì)的背靠背的貯存單元排列組成，燃料組件被安放在一個(gè)貯存單元上（或者吊掛在掛鉤上），有的燃料組件也是采用這種貯存方式（見圖2）。
該貯存架的缺點(diǎn)是：新燃料組件采用坐底貯存方式，結(jié)構(gòu)件受力大，對(duì)燃料組件安放水平度和垂直度要求高，不利于新燃料組件的長(zhǎng)期存放。安裝位置低不具備防水淹功能。整個(gè)貯存架僅底部與地面連接，重心高，抗振動(dòng)、抗搖擺能力弱。
2 關(guān)鍵技術(shù)
本貯存架需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個(gè)：
�。�1）基于穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的分體式設(shè)計(jì)技術(shù)；
�。�2）耐腐蝕金屬涂層技術(shù)。
3 研制方案及技術(shù)途徑
3.1 研制方案
通過國(guó)內(nèi)、外貯存架調(diào)研分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工作進(jìn)度等實(shí)際情況及以往燃料組件貯存架設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)反應(yīng)堆換料用新燃料組件入堆前的貯存要求，開展新型燃料組件方案論證，確定了貯存架設(shè)計(jì)方案即采用鋼結(jié)構(gòu)分體式方案，首先由制造廠完成結(jié)構(gòu)單元的制造，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)組裝。
3.2 穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)
穩(wěn)健設(shè)計(jì)（也稱為魯棒設(shè)計(jì)、健壯設(shè)計(jì)等），是在日本學(xué)者田口玄一提出的三次設(shè)計(jì)法上發(fā)展起來(lái)的、低成本、高穩(wěn)定性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，致力于提高流程或產(chǎn)品的可靠性，它通過調(diào)整設(shè)計(jì)變量及控制其容差使可控因素和不可控因素當(dāng)與設(shè)計(jì)值發(fā)生變差時(shí)仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種工程方法，即通過穩(wěn)健設(shè)計(jì)，可以使產(chǎn)品的性能對(duì)各種噪聲因素的不可預(yù)測(cè)的變化，擁有很強(qiáng)的抗干擾能力，產(chǎn)品性能將保持穩(wěn)定和可靠。
本貯存架基于Autodesk Inventor三維設(shè)計(jì)軟件建立三維數(shù)字樣機(jī)，以機(jī)械桁架設(shè)計(jì)、有限元分析、可靠性設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)為核心，運(yùn)用成熟的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，將產(chǎn)品各零部件的設(shè)計(jì)和分析集成在一起，完成基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究平臺(tái)，根據(jù)理論計(jì)算分析結(jié)果及與已證實(shí)的類似設(shè)計(jì)比較，優(yōu)化貯存架的結(jié)構(gòu)形式及各部件的布置方式，模擬檢查貯存架的裝配和安裝仿真過程，完成貯存架的設(shè)計(jì)。
3.3 技術(shù)路線
貯存架是一個(gè)U形框架鋼結(jié)構(gòu)件，主要由槽鋼、角鋼焊接而成，表面采用不銹鋼耐腐蝕涂層，可以分解為小尺寸單元部件進(jìn)行組裝和運(yùn)輸。操作人員利用吊車將新燃料組件連同組件吊具吊運(yùn)至貯存架的某個(gè)懸掛點(diǎn)，然后將吊掛在貯存架上（見圖3）。
3.3.1 一體式吊掛方式
采用一體式吊掛方式貯存新燃料組件，即首先使用吊掛工具（新燃料組件操作工具）與燃料組件鎖緊連接，然后將吊掛工具（新燃料組件操作工具）與燃料組件一起吊掛在貯存架上，由于新燃料組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(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)
穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)主要采用減小響應(yīng)偏差的方法來(lái)滿足約束條件。穩(wěn)健設(shè)計(jì)是將6σ質(zhì)量管理、可靠性設(shè)計(jì)和穩(wěn)健設(shè)計(jì)相結(jié)合的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，它要求產(chǎn)品質(zhì)量在均值6σ范圍波動(dòng)時(shí)，均能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)質(zhì)是將可靠性設(shè)計(jì)和基于容差模型的穩(wěn)健設(shè)計(jì)相結(jié)合，達(dá)到減小目標(biāo)函數(shù)值，降低目標(biāo)函數(shù)對(duì)不確定性因素的敏感性，即使目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)均方差減小，實(shí)現(xiàn)“均值達(dá)到目標(biāo)”和“均方差最小化”的目的。一般來(lái)說(shuō)，穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)要達(dá)到2個(gè)目的：
�。�1）使產(chǎn)品質(zhì)量特性的均值盡可能達(dá)到目標(biāo)值。
�。�2）使由干擾因素引起的性能波動(dòng)的方差盡可能小。
因此，工程設(shè)計(jì)中穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型為雙目標(biāo)優(yōu)化問題，數(shù)學(xué)模型為：
當(dāng)時(shí)，即為6σ穩(wěn)健設(shè)計(jì)。與常規(guī)確定性優(yōu)化方法相比，6σ穩(wěn)健設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，加入了目標(biāo)和約束條件的標(biāo)準(zhǔn)差。該方法不但能尋找到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，而且還使得目標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)變得不敏感。對(duì)于各約束，加入約束函數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，可使得最優(yōu)點(diǎn)在搜索的過程中遠(yuǎn)離約束邊界，提升為6σ水平，以有效地增大可靠度，然而，設(shè)計(jì)參數(shù)的可行域也隨之而減小范圍。因此，要適當(dāng)擴(kuò)大設(shè)計(jì)參數(shù)可行域，就有必要在目標(biāo)函數(shù)中加入約束條件的標(biāo)準(zhǔn)差。
3.3.3 設(shè)計(jì)流程
設(shè)計(jì)流程如下：
�。�1）確定設(shè)計(jì)區(qū)域，選擇合適的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束函數(shù)等其他邊界條件。
�。�2）結(jié)構(gòu)離散化，進(jìn)行有限元分析，獲取目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)及設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)變化的敏度信息。
�。�3）根據(jù)得到的信息，用合適的優(yōu)化，計(jì)算出當(dāng)前的設(shè)計(jì)變量的新值。
�。�4）根據(jù)終止準(zhǔn)則判斷優(yōu)化結(jié)果是否收斂，如果不收斂，重復(fù)（2）到（4），如果收斂，則終止迭代。
�。�5）可靠穩(wěn)健后處理，得到最優(yōu)的形式。
圖4給出了可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的基本流程。
3.3.4 結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)
貯存架如圖5所示，由槽鋼焊接組成的鋼架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)材料奧氏體不銹鋼，要求分別在結(jié)構(gòu)體積不變條件下尋找具有最大剛度的強(qiáng)度指標(biāo)和結(jié)構(gòu)。初始設(shè)計(jì)空間的有限元模型如圖5所示。
3.3.5 結(jié)構(gòu)單元優(yōu)化結(jié)果
采用Autodesk Inventor設(shè)計(jì)分析模塊進(jìn)行可靠穩(wěn)健計(jì)算，優(yōu)化迭代20次后得到優(yōu)化結(jié)果。迭代20次后，結(jié)構(gòu)的趨于平穩(wěn)，同時(shí)材料由奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9（屈服強(qiáng)度205 MPa）更改為碳鋼Q235表面熱噴涂奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9（屈服強(qiáng)度235 MPa），即此時(shí)的貯存架強(qiáng)度較初步設(shè)計(jì)提高30%。如圖6所示。
3.3.6 不銹鋼耐腐蝕涂層技術(shù)
在碳鋼（槽鋼或者角鋼）基體上，采用熱噴涂工藝涂覆一層奧氏體不銹鋼耐腐蝕涂層，涂層分為鎳基合金底層和奧氏體不銹鋼表層兩個(gè)部分，該結(jié)構(gòu)綜合了碳鋼成本低，加工性能好及不銹鋼涂層表面硬度高（熱噴涂后），耐磕碰、耐腐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)燃料組件無(wú)污染，維護(hù)量少，其多方面性能優(yōu)于常規(guī)刷涂油漆工藝（見圖7）。
3.3.7 貯存架優(yōu)化設(shè)計(jì)
貯存架采用基于穩(wěn)健可靠性優(yōu)化技術(shù)的U型分體式結(jié)構(gòu)布局，三面靠墻，并采用強(qiáng)力膨脹螺栓與地面和墻體連接，使之與房屋結(jié)合為一體，提高了貯存架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性，較好地利用了現(xiàn)場(chǎng)條件，適應(yīng)了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。如圖8所示。
4 貯存架性能指標(biāo)
在貯存架制造過程中根據(jù)質(zhì)保體系、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝要求，通過對(duì)生產(chǎn)條件的控制（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等因素）、關(guān)鍵工序的控制、計(jì)量和檢驗(yàn)的控制、不合格品的控制，確保了貯存架的制造質(zhì)量，產(chǎn)品性能指標(biāo)如下：
�。�1）貯存架重量：約11 t；
�。�2）貯存新燃料組件的能力：40組（可以根據(jù)需要增加）；
�。�3）設(shè)計(jì)使用壽命：30年（免維護(hù)）。
5 試驗(yàn)結(jié)果
5.1 負(fù)載試驗(yàn)
對(duì)貯存架40個(gè)吊勾，進(jìn)行了250 kg，6 h負(fù)載試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)吊勾連接牢固、結(jié)構(gòu)完整、無(wú)變形、松脫、出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，滿足技術(shù)要求。
5.2 吊裝試驗(yàn)
用起吊設(shè)備將模擬燃料組件在40個(gè)吊掛位置進(jìn)行吊裝試驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，吊裝試驗(yàn)運(yùn)行，操作正常、方便順利，無(wú)故障現(xiàn)象，吊裝試驗(yàn)試結(jié)果全部滿足技術(shù)要求。
6 工程應(yīng)用
進(jìn)行了新燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)以及新燃料組件吊掛貯存在新燃料組件干式貯存架上工作，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢查合格，完全滿足設(shè)計(jì)和貯存技術(shù)要求。
7 結(jié)語(yǔ)
（1）通過貯存架的試驗(yàn)和工程應(yīng)用，證明貯存架設(shè)計(jì)方案和采用的制造工藝路線是正確合適的，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)分體式貯存架研究和應(yīng)用先例。
�。�2）穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)及虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，縮短了設(shè)計(jì)、試驗(yàn)周期，大大減少了試驗(yàn)成本，同時(shí)提高自主設(shè)計(jì)開發(fā)能力，推動(dòng)了數(shù)字化、信息化設(shè)計(jì)在實(shí)際工作中的應(yīng)用。
�。�3）由于采用分體模塊化結(jié)構(gòu)，便于分散制造，集中組裝，在不破壞整體結(jié)構(gòu)的情況下，通過增加新的貯存模塊，提高貯存燃料組件數(shù)量，具有占地面積小、安全可靠、操作方便、制造成本低，便于生產(chǎn)制造、安裝、調(diào)試等特點(diǎn)。
�。�4）不銹鋼耐腐蝕涂層技術(shù)具有耐腐蝕性好、不污染燃料組件、可長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)，受到使用單位的好評(píng)，同時(shí)為海洋大氣環(huán)境下提高大型鋼結(jié)構(gòu)件耐腐蝕性能，提供了工程案例和經(jīng)驗(yàn)，具有較廣泛的軍用、民用市場(chǎng)應(yīng)用前景。
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