CN109065190A - 一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，包括一体化的法兰、球形封头，在球形封头的内凹球面上一体化锻造有平台结构体，使得球形封头的内凹球面由连续渐变的弧面渐变到平面再渐变到连续渐变的弧面，平台结构体为一球面与一圆形平面围合构成的一实心体，其中平台结构体的球面与球形封头的内凹球面一体化匹配连接，而平台结构体的圆形平面水平设置，且圆形平面在垂直方向的高度高于法兰上端面在垂直方向的高度，还包括贯穿球形封头、平台结构体的管座安装通孔，以及插入管座安装通孔内的管座，还包括圆形的管座焊缝，所述管座焊缝设置平台结构体上并包覆管座。解决传统非对称焊缝导致管座的垂直度超差问题。

Description

一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖

技术领域

本发明涉及反应堆压力容器领域，尤其涉及到反应堆压力容器顶盖技术。

背景技术

顶盖组件是反应堆压力容器的重要组成部分。长期一来，由于反应堆压力容器需要承担巨大的压力，在本领域技术中的指导思想是，一个壳体需要承担巨大压力时，一般采用圆球形封头，且要求圆球形封头的材料要连续、内凹面渐变形成内凹弧面，才能满足高性能大压力要求。因此无论是分体式的顶盖组件还是一体化的顶盖组件，其都有一个球形封头，且球形封头的内凹面为连续的、渐变的内凹弧面。这样的设计使得，而管座与球形封头之间焊接时形成异形焊缝结构，这种设计有以下缺陷：

一：为抵消反应堆压力容器内压对管座施加的外推力并保证密封，管座与球形封头之间连接焊缝的焊肉很大。

二：由于焊接量很大，焊缝的焊接应力大，焊接后管座的位置度及其与顶盖密封面的垂直度容易超差。

三：另一方面，该焊缝位置特殊，不同管座与球形封头之间的夹角变化，且部分焊缝位置狭窄，难以进行有效地体积检测。

发明内容

本发明的目的在于解决在低成本的一体化锻造基础上解决传统非对称焊缝导致管座的垂直度超差问题。获得一个焊缝小、能满足焊接后管座的位置度及其与顶盖密封面的垂直度容易保证的压力容器整体顶盖。

为了清楚本领域的发展设计思想，本领域的技术发展情况如下：

由于反应堆压力容器尺寸巨大，一般直径达到4米左右，因此配套的顶盖组件的尺寸也需要达到4米左右，顶盖组件一般采用锻造的方式完成，由于顶盖组件需要承担巨大的压力，正常工作时需要满足为172bar的压力要求。

而在本领域技术中，承担如此巨大压力的指导思想是：一、需要材料的连续性，二、需要内凹面为连续渐变弧形设计的球形封头。

因此，一般要求顶盖组件最好采用一个整体式的半球结构使得顶盖组件内凹面的材料连续，因此能最大限度的提高抗压力，这样就不仅能满足正常工作压力要求，还能在事故时承担更大的压力，以提高核反应堆的安全性能。

但要整体锻造直径达到4米的半球结构，以往我国工业水平都难以制造，因此我国的顶盖组件采用的是分体式设计，如图1所示，顶盖组件的主体结构一般为球形封头和法兰、管座焊接在一起，其中封头的内外表面均为球面，即采用球面的封头和法兰，这样设计时原本要求材料连续的半球结构可以设置成非半球的球形封头，该球形封头的端面尺寸可以缩小到3米左右，而该球形封头则与法兰焊接最终组成顶盖组件；这种设计虽然能满足正常工作压力要求，但一旦出现故障时，抗压极限也仅能达到200bar，因此需要设计其他保护措施防止反应堆压力容器内的压力超过200bar。

随着3D打印技术发展，但我国工业水平没有直接以打印方式制造一体化的顶盖组件。随着我国锻造水平的提升，虽然我国采用普通高强钢材能锻造一体化的顶盖组件，但由于壳体较厚，以及锻造方法是一种减材方法，因此无法锻造出一体化的管座，即依旧无法将管座与顶盖组件锻造成一体结构，因此管座与球形封头之间依然需要焊接，即球形封头上一般设置若干孔，孔内安装控制棒驱动机构管座及其他管座。而管座的位置度及其与顶盖密封面的垂直度要求非常严格。管座与球形封头之间用焊接方法连接，如图2所示，由于为了保证材料的连续性，提高压力极限，在本领域技术中，一般要求球形封头内凹面为连续的渐变弧面，而由于要求管座垂直设置，因此这种连续的渐变弧面与管座之间的焊接必然形成异形焊缝结构，而为承受反应堆压力容器内压对管座施加的外推力并保证密封，管座与球形封头之间连接焊缝的焊肉很大。一方面由于焊接量很大，焊缝的焊接应力大，焊接后管座的位置度及其与顶盖密封面的垂直度容易超差。另一方面，该焊缝位置特殊，难以进行有效地体积检测。

本发明的设计思想为：

为了避免3D打印增材技术那样的制造方法，产生高额的生产费用和生产周期；本发明建立在普通锻造技术的基础上形成一体化的顶盖，但在一体化的顶盖技术上，却面临管座无法一体化锻造时而造成与顶盖连接焊缝较大的技术问题、以及焊缝的焊接应力大、焊接后管座的位置度及其垂直度容易超差的问题。一般，本领域技术中为了解决焊缝的焊接应力大、焊接后管座的位置度及其垂直度容易超差问题的研究方向都是寻找焊接应力的焊接材料来解决，但材料科学的研发进展非常缓慢。

而本发明的结构是：一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，包括一体化的法兰、球形封头，在球形封头的内凹球面上一体化锻造有平台结构体，使得球形封头的内凹球面由连续渐变的弧面渐变到平面再渐变到连续渐变的弧面，平台结构体为一球面与一圆形平面围合构成的一实心体，其中平台结构体的球面与球形封头的内凹球面一体化匹配连接，而平台结构体的圆形平面水平设置，且圆形平面在垂直方向的高度高于法兰上端面在垂直方向的高度，还包括贯穿球形封头、平台结构体的管座安装通孔，以及插入管座安装通孔内的管座，还包括圆形的管座焊缝，所述管座焊缝设置平台结构体上并包覆管座。

上述结构中，本发明创造性的突破传统思维方式，将一般认为不能改变内凹面为连续渐变弧形设计的球形封头，改为由连续渐变弧形渐变到平面再渐变到连续渐变弧形，即相当于在球形封头的内凹面一体化锻造材料后成一个平台结构体；由于本发明上述设计会形成圆形平面，由于圆形平面是水平的且平整的，因此该平面能与管座形成较高的垂直度，在此情形下，可以直接在圆形平面处设置圆环结构体的管座焊缝，由于圆环结构体的管座焊缝具有高度对称性，因此应力均匀，即管座来自各个方向的受力较为均匀，此时为抵消反应堆压力容器内压对管座施加的外推力并保证密封，管座焊缝的焊肉无需做大，而焊肉无需做大的情况下，焊缝的焊接应力小，焊接后管座的位置度及其垂直度更加接近理想位置和百分百垂直，这又进一步的提高管座来自各个方向的受力的均匀性。所述管座焊缝的厚度尺寸选择为2至5mm，管座焊缝的径尺寸为2-5mm，所述径尺寸为外径尺寸与内经尺寸之差。而这种尺寸下，其焊缝的焊接应力小，因此可以很好的解决焊接后管座的位置度及其垂直度容易超差问题。而如图1、图2的那种异形非对称性焊缝，其尺寸一般是径尺寸为10mm以上，深度(焊缝的厚度)在20mm以上，这种焊缝的焊接应力非常大，且非常难以焊接，管座垂直度容易超差。

虽然形成了一个平台结构体后，使得球形封头的连续渐变弧形变成不是连续渐变的，会造成材料的非连续性拐点平台结构体，即圆形平面与球形封头其余连续弧面的结合部会形成材料非连续性拐点，一定程度上会影响整个结构的抗压性能，这种不利影响可以通过在平面与封头弧面结合处增加倒角来缓解。图中结构不连续区需增加倒角。但，本发明通过上述平台结构体有效的将管座焊缝做小，同时提升了管座的垂直度，再此情形下，管座受压时来自各个方向的受力均匀，因此，会促进整个顶盖受压均匀，因此能弥补上述抗压性能，而为了将上述材料非连续性拐点造成的影响降低，本发明做了更为详细的研究，从平台结构体的尺寸研究角度出发，最终找到了对材料非连续性拐点影响较小的尺寸，具体如下：圆形平面的半径与球形封头的内凹球面半径之比为2：3-2：5；平台结构体的球面顶点至圆形平面圆心的距离h，h与球形封头的内凹球面半径之比为1：6-1：9。在上述尺寸比例下，使得球形封头还保留了足够多的连续性弧面，发现其承压力依旧能保持在规定要求内，该尺寸下，与不带平台结构的球形顶盖相比，增加的平台结构对管座开孔提供了补强作用，增加了顶盖的抗压损坏的能力。优选的，所述平台结构体的圆形平面的半径为2-3米，平台结构体的球面顶点至圆形平面圆心的距离h为0.5-0.7米。

优选的，所述管座焊缝设置在平台结构体的圆形平面上。

优选的，管座焊缝嵌入平台结构体的圆形平面内。

优选的，还包括机械连接体，所述机械连接体套设在管座外并装配在平台结构体的圆形平面上。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、顶盖内部有平台结构体，可实现采用机械连接、密封焊的方式将顶盖与管座连接，易于控制管座位置度及垂直度，便于焊缝无损检测。

2、该顶盖采用整体锻件制造，消除了焊缝，因此不必进行焊缝的在役检查；减少了材料不连续，提高了顶盖可靠性。

3、该顶盖的上部较厚，可以对顶盖上部空间起到良好的屏蔽作用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是现有分离式顶盖结构图。

图2是图1中管座与球形封头的焊接示意图。

图3是本发明管座焊缝外堆式设计的结构示意图。

图4是本发明管座焊缝嵌入式设计的结构示意图。

图中的附图标记分别表示为：1、法兰；2、球形封头；3、平台结构体；4、管座焊缝；5、管座；6、异形大焊缝；7、连接焊缝；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

本发明的实施结构为：

一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，包括一体化的法兰1、球形封头2，在球形封头的内凹球面上一体化锻造有平台结构体3，使得球形封头2的内凹球面由连续渐变的弧面渐变到平面再渐变到连续渐变的弧面，平台结构体3为一球面与一圆形平面围合构成的一实心体，其中平台结构体3的球面与球形封头的内凹球面一体化匹配连接，而平台结构体3的圆形平面水平设置，且圆形平面在垂直方向的高度高于法兰上端面在垂直方向的高度，，还包括贯穿球形封头2、平台结构体3的管座安装通孔，以及插入管座安装通孔内的管座5，还包括圆形的管座焊缝4，所述管座焊缝4设置平台结构体3上并包覆管座5。

反应堆压力容器顶盖的发展历程是：

由于反应堆压力容器尺寸巨大，一般直径达到4米左右，因此配套的顶盖组件的尺寸也需要达到4米左右，顶盖组件一般采用锻造的方式完成，由于顶盖组件需要承担巨大的压力，正常工作时需要满足为172bar的压力要求。

而在本领域技术中，承担如此巨大压力的指导思想是：一、需要材料的连续性，二、需要内凹面为连续渐变弧形设计的球形封头。

因此，一般要求顶盖组件最好采用一个整体式的半球结构使得顶盖组件内凹面的材料连续，因此能最大限度的提高抗压力，这样就不仅能满足正常工作压力要求，还能在事故时承担更大的压力，以提高核反应堆的安全性能。

但要整体锻造直径达到4米的半球结构，以往我国工业水平都难以制造，因此我国的顶盖组件采用的是分体式设计，如图1所示，顶盖组件的主体结构一般为球形封头2和法兰1、管座5焊接在一起，球形封头2和法兰1采用连接焊缝7连接，其中封头的内外表面均为球面，即采用球面的封头，这样设计时原本要求材料连续的半球结构可以设置成非半球的球形封头，该球形封头的端面尺寸可以缩小到3米左右，而该球形封头则与法兰焊接最终组成顶盖组件；这种设计虽然能满足正常工作压力要求，但一旦出现故障时，抗压极限也仅能达到200bar，因此需要设计其他保护措施防止反应堆压力容器内的压力超过200bar。

随着我国锻造水平的提升，虽然我国采用普通高强钢材能锻造一体化的顶盖组件，但由于壳体较厚，以及锻造方法是一种减材方法，因此无法锻造出一体化的管座，即依旧无法将管座与顶盖组件锻造成一体结构，因此管座与球形封头之间依然需要焊接，即球形封头上一般设置若干孔，孔内安装控制棒驱动机构管座及其他管座。而管座的位置度及其与顶盖密封面的垂直度要求非常严格。管座与球形封头之间用焊接方法连接，如图2所示，由于为了保证材料的连续性，提高压力极限，在本领域技术中，一般要求球形封头内凹面为连续的渐变弧面，而由于要求管座垂直设置，因此这种连续的渐变弧面与管座之间的焊接必然形成异形大焊缝6，而为承受反应堆压力容器内压对管座施加的外推力并保证密封，管座与球形封头之间连接异形大焊缝6的焊肉很大。因此造成焊接量很大，焊缝的焊接应力大，焊接后管座的位置度及其与顶盖密封面的垂直度容易超差。另一方面，该焊缝位置特殊，难以进行有效地体积检测。

如图3、图4所示，本发明的设计思想为：

本发明建立在普通锻造技术的基础上形成一体化的顶盖，但在一体化的顶盖技术上，却面临管座无法一体化锻造时而造成与顶盖连接焊缝较大的技术问题、以及焊缝的焊接应力大、焊接后管座的位置度及其垂直度容易超差的问题。一般，本领域技术中为了解决焊缝的焊接应力大、焊接后管座的位置度及其垂直度容易超差问题的研究方向都是寻找焊接应力小的焊接材料或焊接工艺的变化来解决，但材料科学和工艺的研发进展非常缓慢。

如图3、图4所示，本发明的结构是：一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，包括一体化的法兰、球形封头，在球形封头的内凹球面上一体化锻造有平台结构体，使得球形封头的内凹球面由连续渐变的弧面渐变到平面再渐变到连续渐变的弧面，平台结构体为一球面与一圆形平面围合构成的一实心体，其中平台结构体的球面与球形封头的内凹球面一体化匹配连接，而平台结构体的圆形平面水平设置，且圆形平面在垂直方向的高度高于法兰上端面在垂直方向的高度，还包括贯穿球形封头、平台结构体的管座安装通孔，以及插入管座安装通孔内的管座，还包括圆形的管座焊缝，所述管座焊缝设置平台结构体上并包覆管座。

上述结构中，本发明创造性的突破传统思维方式，将一般认为不能改变内凹面为连续渐变弧形设计的球形封头，改为由连续渐变弧形渐变到平面再渐变到连续渐变弧形，即相当于在球形封头的内凹面一体化锻造材料后成一个平台结构体；由于本发明上述设计会形成圆形平面，而圆形平面是水平的且平整的，因此该平面能与管座形成较高的垂直度，在此情形下，可以直接在圆形平面处设置圆环结构体的管座焊缝，由于圆环结构体的管座焊缝具有高度对称性，因此应力均匀，即管座来自各个方向的受力较为均匀，此时为抵消反应堆压力容器内压对管座施加的外推力并保证密封，管座焊缝的焊肉无需做大，而焊肉无需做大的情况下，焊缝的焊接应力小，焊接后管座的位置度及其垂直度更加接近理想位置和百分百垂直，这又进一步的提高管座来自各个方向的受力的均匀性。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，设置所述管座焊缝的厚度尺寸选择为2至5mm，管座焊缝的径尺寸为2-5mm，所述径尺寸为外径尺寸与内经尺寸之差。而这种尺寸下，其焊缝的焊接应力小，因此可以很好的解决焊接后管座的位置度及其垂直度容易超差问题。而如图1、图2的那种异形非对称性焊缝，其尺寸一般是径尺寸为10mm以上，深度(焊缝的厚度)在20mm以上，这种焊缝的焊接应力非常大，且非常难以焊接，管座垂直度容易超差。

实施例3

虽然形成了一个平台结构体后，使得球形封头的连续渐变弧形变成不是连续渐变的，会造成材料的非连续性拐点平台结构体，即圆形平面与球形封头其余连续弧面的结合部会形成材料非连续性拐点，一定程度上会影响整个结构的抗压性能，但，本发明通过上述平台结构体有效的将管座焊缝做小，同时提升了管座的垂直度，再此情形下，管座受压时来自各个方向的受力均匀，因此，会促进整个顶盖受压均匀，因此能弥补上述抗压性能，而为了将上述材料非连续性拐点造成的影响降低，本实施例在实施例1的基础上，本发明做了更为详细的研究，从平台结构体的尺寸研究角度出发，最终找到了对材料非连续性拐点影响较小的尺寸，具体如下：圆形平面的半径与球形封头的内凹球面半径之比为2：3-2：5；平台结构体的球面顶点至圆形平面圆心的距离h，h与球形封头的内凹球面半径之比为1：6-1：9。在上述尺寸比例下，使得球形封头还保留了足够多的连续性弧面，发现其承压力依旧能保持在规定要求内，该尺寸下，与不带平台结构的球形顶盖相比，增加的平台结构对管座开孔提供了补强作用，增加了顶盖的抗压损坏的能力。

优选的，所述平台结构体的圆形平面的半径为2-3米，平台结构体的球面顶点至圆形平面圆心的距离h为0.5-0.7米。其中，球形封头的半径一般为4.25米左右。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上，

如图3所示，优选的，所述管座焊缝设置在平台结构体的圆形平面上。

如图4所示，优选的，管座焊缝嵌入平台结构体的圆形平面内。

优选的，还包括机械连接体，所述机械连接体套设在管座外并装配在平台结构体的圆形平面上。

优选的球形封头与法兰整体锻件制造。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，包括一体化的法兰(1)、球形封头(2)，其特征在于：

在球形封头的内凹球面上一体化锻造有平台结构体(3)，平台结构体(3)为一球面与一圆形平面围合构成的一实心体，其中平台结构体(3)的球面与球形封头的内凹球面一体化匹配连接，而平台结构体(3)的圆形平面水平设置，且圆形平面在垂直方向的高度高于法兰上端面在垂直方向的高度，使得球形封头(2)的内凹球面由连续渐变的弧面渐变到平面再渐变到连续渐变的弧面；

还包括贯穿球形封头(2)、平台结构体(3)的管座安装通孔，以及插入管座安装通孔内的管座(5)，还包括圆形的管座焊缝(4)，所述管座焊缝(4)设置平台结构体(3)上并包覆管座(5)。

2.根据权利要求1所述的一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，其特征在于，圆形平面的半径与球形封头的内凹球面半径之比为2：3-2：5；平台结构体(3)的球面顶点至圆形平面圆心的距离h，h与球形封头的内凹球面半径之比为1：6-1：9。

3.根据权利要求1所述的一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，其特征在于，所述平台结构体(3)的圆形平面的半径为2-3米，平台结构体(3)的球面顶点至圆形平面圆心的距离h为0.5-0.7米。

4.根据权利要求1所述的一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，其特征在于，所述管座焊缝(4)的厚度尺寸为2至5mm，管座焊缝(4)的径尺寸为2-5mm，所述径尺寸为外径尺寸与内经尺寸之差。

5.根据权利要求1所述的一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，其特征在于，所述管座焊缝(4)设置在平台结构体(3)的圆形平面上。

6.根据权利要求1所述的一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，其特征在于，管座焊缝(4)嵌入平台结构体(3)的圆形平面内。

7.根据权利要求1所述的一种带内平台的反应堆压力容器整体顶盖，其特征在于，还包括机械连接体，所述机械连接体套设在管座(5)外并装配在平台结构体(3)的圆形平面上。