廖家麒，刘冬安，林绍萱，于 庆，沈秋平

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

1 引言

堆内构件是核反应堆内部的重要组成部分，对反应堆功能实现和安全运行起着重要作用，而堆芯支承下板和吊篮又属于堆内构件中的核心关键组件［1-2］。堆芯支承下板起到支承燃料组件的作用，其上布置多个燃料组件定位销和流水孔等关键特征(见图1)，其中燃料组件定位销与燃料组件下管座配合，保证燃料组件的安装精度。在反应堆运行过程中，为了保证燃料组件运行的稳定性，对燃料组件的就位和对中均有非常高的要求，因此要求堆芯支承下板和吊篮必须保证其形状精度和位置精度［3］，并且对整个堆芯支承下板平面度也有较高的要求。

图1 反应堆堆芯支承下板与吊篮及其焊缝结构示意图

工程中为了减小堆芯支承下板与吊篮间焊缝的焊接残余应力，需要对该区域进行焊后热处理。经热处理后发现堆芯支承下板发生了较大的残余变形，导致燃料组件定位销的位置精度严重超标，影响了燃料组件的安装定位。即使能够安装成功，也会对燃料组件的对中以及后续的安全运行带来很大影响(如落棒困难的影响等)。

由于堆芯支承下板与吊篮间焊缝是首次出现此类热处理的变形问题，同时由于核电设备设计的高精度和高安全性的要求，因此迫切需要建立高精度的吊篮和堆芯支承下板间热处理数值模型，尽快系统地分析热处理过程中的温度场和残余变形的变化规律，并为最终找出残余变形的根本原因提供指导。根据热处理的多物理场耦合本质，建立堆芯支承下板与吊篮的“热-力”耦合热处理数值模型，获得热处理过程中堆芯支承下板的温度场和残余变形结果，通过与实际测量结果进行对比，验证本文模型和分析结果的正确性，从而在模型方面为解决此工程问题奠定基础。

2 堆芯支承下板与吊篮热处理数值模型

2.1 堆芯支承下板与吊篮热处理工艺

图2(a)展示了堆芯支承下板与吊篮之间焊缝采用的局部热处理工艺。在焊缝周边局部区域包裹加热装置，通过程序自动控制加热装置的温度变化，实现预定的热处理工艺曲线，见图2(b)所示。从该热处理工艺曲线可看出，整个热处理过程分为加热、保温、控制冷却和自然冷却4个阶段。此热处理工艺多温度阶段，且各阶段温差较大，导致堆芯支承下板在整个热处理过程中温度分布不均匀，进而造成整个堆芯支承下板的不均匀热膨胀和热应力的产生。

图2 堆芯支承下板和吊篮之间焊缝采用的热处理工艺

2.2 几何模型和材料参数

堆芯支承下板和吊篮分别属于厚圆板型结构和薄壁圆筒型结构，其中堆芯支承下板中开有大量流水孔以及燃料组件定位销孔。在本文模型中，由于定位销孔的尺寸很小，对整个分析的影响可以忽略，因此数值模型中省略了定位销孔。同时，由于整个堆芯支承下板和吊篮结构的对称性，选取1/4结构建立了数值模型(见图3)。

图3 堆芯支承下板与吊篮“热-力”直接耦合数值模型及关键位置点定义

因为热处理过程是一个温度场和结构场的耦合过程，目前分析此耦合场的方法主要分为间接耦合和直接耦合两种［4-5］。其中直接耦合方法通过在每次求解迭代过程中都进行温度场和结构场的耦合计算，因此更接近于热处理多物理场耦合的本质，避免了传统间接耦合带来的传递误差，具有较高的计算精度。因此，本文为了提高模型的分析精度，基于商用有限元软件ANSYS，采用直接耦合法建立了堆芯支承下板与吊篮的“热-力”耦合热处理数值模型。

本文建立的堆芯支承下板和吊篮热处理数值模型为“热-力”直接耦合模型，需要同时输入温度场和结构场的材料参数。随温度变化的材料参数如表1所列。

表1 堆芯支承下板和吊篮“热-力”直接耦合模型材料参数表

2.3 载荷和边界条件

为了模拟堆芯支承下板和吊篮热处理过程中的“热-力”直接耦合效应，在建立的耦合模型上需同时施加温度场和结构场的载荷和边界条件。由于模型的对称性，在对称边界上施加结构对称边界条件和绝热边界条件;在加热装置的部分施加与实际热处理工艺曲线一致的温度函数曲线，如图2(b)所示，并保证各阶段热处理时间与实际热处理过程一致。吊篮上部通过十字定位键定位，可作为约束边界处理;同时，为了模拟整个热处理过程中的空气对流效应，在除加热带包裹部分和模型对称面外的其余部分都施加空气自然对流系数。

3 热处理过程模型结果

基于上述建立的堆芯支承下板与吊篮“热-力”直接耦合热处理数值模型，系统分析了热处理过程中的温度场和残余变形的变化规律，并与工程测量结果进行了对比。

3.1 热处理过程温度场

图4展示了堆芯支承下板和吊篮在整个热处理过程中4个阶段的温度场分布。可以看出，堆芯支承下板与吊篮的温度均是先升高(加热和保温阶段)后降低(控制冷却和自然冷却阶段)，并且除了最终冷却状态，其余阶段都是堆芯支承下板外侧温度较高，向内部逐渐降低。这是因为所采用的热处理工艺是在焊缝附近包裹加热装置的局部热处理方式，如图2(a)所示，同时由于堆芯支承下板的直径较大(约3.5 m)以及堆芯支承下板材料的导热率较低，导致热量从堆芯支承下板外侧向内侧传递速率较慢，在设定的时间内堆芯支承下板内部温度不能达到外侧的加热温度。

图4 堆芯支承下板和吊篮在热处理过程不同阶段的温度场分布

加热阶段结束时，堆芯支承下板最外侧温度最高为382℃，从径向第3排流水孔以内温度变化很小，几乎保持室温;保温阶段结束时温度场分布和加热阶段类似，最外侧最高温度仍为382℃，只是温度较高的区域向内部稍微扩大，从径向第5排流水孔以内温度几乎保持室温不变;控制冷却阶段结束时，整体温度降低，温度分布趋势与前两个阶段类似。最外侧最高温度120℃，从径向第4排流水孔向内温度几乎保持室温;完全自然冷却后，整块堆芯支承下板的温度变为室温。

上述温度场的分析结果表明，整个热处理过程中，堆芯支承下板温度分布是不均匀的，基本可以分为温度持续变化的“外圈”(径向第5排流水孔以外)和温度几乎保持不变的“内圈”(径向第5排流水孔以内)。“外圈”和“内圈”温度分布不均匀所产生的温差，势必引起堆芯支承下板结构热胀冷缩的不平衡性，将引起结构的整体变形。同时可以看出，上述温度场的数值结果和实际工程中热处理曲线的4个阶段温度基本吻合，验证了模型温度分析的正确性。

3.2 热处理残余变形

图5展示了热处理结束后，处于完全自然冷却后的堆芯支承下板和吊篮的径向和轴向残余变形结果。其中，堆芯支承下板的径向残余变形定义为其上各点的最终位置相对于初始位置的径向偏差，而轴向残余变形定义为其轴向位移的最大值与最小值之差(即整体平面度偏差)。从图5(a)可以看出，热处理后堆芯支承下板上各点都发生了径向负偏差，即发生了径向收缩变形，最大收缩量达到-0.84 mm，这就改变了流水孔和定位销孔等特征的初始设计位置，直接影响燃料组件的定位和安装。同时可以看出，堆芯支承下板越靠近外侧，径向收缩变形越大，反之越小。

从图5(b)的轴向残余变形可看出，完全冷却后堆芯支承下板整体发生了负轴向变形，并且越靠近内侧，轴向变形越大。堆芯支承下板的最内侧区域(人孔塞附近)产生了最大的负轴向变形，达到-1.5 mm，而堆芯支承下板外侧与吊篮连接部分的轴向变形接近于0 mm，从而导致堆芯支承下板产生了较大的平面度偏差，导致了整体“内凹”轴向残余变形，与热处理后的工程测量结果趋势也相同。

图5 热处理后堆芯支承下板和吊篮的残余变形

为了验证本文模型和分析结果的正确性，提取了模型中堆芯支承下板径向最外侧流水孔至堆芯支承下板边缘之间区域的平均径向变形(孔位置度偏差)和轴向变形(平面度偏差)计算结果，与工程测量结果进行了对比(见表2)。可以看出，两者间结果接近，验证了本文模型和分析结果的正确性。

表2 模型计算结果和工程测量结果对比

3.3 关键位置点结果分析

为了进一步系统地分析堆芯支承下板的温度场和残余变形在整个热处理过程中的变化规律，在其径向选取了均匀分布的5个关键位置点，如图3(a)所示，并绘制了整个热处理过程中各点的温度和径向偏差随时间变化曲线，如图6所示。从图6(a)的温度曲线可以看出，P3、P4和P5三个关键位置点的温度在整个热处理过程中呈现类似的变化规律，与热处理过程的4个阶段基本同步。表现出加热阶段温度迅速升高，保温阶段缓慢升高，控制冷却阶段迅速下降，至自然冷却后下降至室温的特点。其中，越靠近外侧的位置点(如P5)，最高温度越高，温度变化速率也最大。而靠近内侧的两个位置点P1与P2在整个热处理过程中温度几乎保持不变，与图4中的温度分布云图结果吻合。

图6 堆芯支承下板关键位置点的变化规律

图6 (b)展示了堆芯支承下板5个关键位置点的径向偏差在整个热处理过程中的变化规律，同样呈现出热处理过程的4个阶段。在加热阶段，各个关键点都产生正的径向偏差，越靠近外侧偏差量越大(P5点);保温阶段时，径向偏差继续增大，但是增速变缓，保温结束时偏差量达到最大;进入冷却阶段后，径向偏差迅速减小，至完全冷却后，各点都呈现负的径向偏差(即最终状态为径向收缩残余变形)，其中越靠近外侧(P5点)，径向负偏差越大，与图5(a)中的径向残余变形云图结果吻合。

4 结论

面向工程中堆芯支承下板和吊篮焊后热处理变形问题，首次建立了“热-力”直接耦合的焊后热处理数值模型，并系统分析了热处理过程中堆芯支承下板与吊篮的温度场和残余变形的变化规律。分析结果表明，在热处理过程中堆芯支承下板温度场分布很不均匀，表现为外侧部分温度先升高再降低，而内侧部分温度几乎保持室温不变。温度场的不均匀分布导致堆芯支承下板发生了整体径向收缩变形，其中越靠近外侧，径向收缩量越大。另外，堆芯支承下板也发生了轴向“内凹”残余变形，影响了堆芯支承下板的整体平面度。通过对比模型结果与工程测量结果，验证了本文模型和结论的正确性，本分析模型为后续热处理工艺优化奠定了基础。

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