應(yīng)秉斌 陳紅生 周 全

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院)

核電廠排污系統(tǒng)非再生熱交換器設(shè)計(jì)

應(yīng)秉斌*陳紅生 周 全

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院)

所設(shè)計(jì)的非再生熱交換器應(yīng)用于某核電廠工程1號(hào)機(jī)組的排污水冷卻，其管側(cè)和殼側(cè)分別承受7.5 MPa和0.8 MPa的壓力，一旦失效其危害性較大。 以RCC-M 《壓水堆核電廠核電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》為依據(jù)，通過(guò)對(duì)該設(shè)備的材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和壓力試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的控制，確保該設(shè)備能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

換熱器 RCC-M 核電廠 承壓設(shè)備

0 引言

非再生熱交換器是核電站蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)中的重要設(shè)備。該設(shè)備用于將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的排污水溫度降至60℃以下，以保證排污系統(tǒng)中除鹽器樹(shù)脂的良好工作條件。非再生熱交換器的管側(cè)和殼側(cè)分別承受一定的內(nèi)壓，屬壓力容器范圍。壓力容器設(shè)計(jì)是一臺(tái)壓力容器誕生的第一步，也是質(zhì)量保證的第一環(huán)節(jié)。壓力容器設(shè)計(jì)就是根據(jù)給定的工藝設(shè)計(jì)條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在確保安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng) （剛）度設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，在滿(mǎn)足設(shè)備功能的同時(shí)，還需綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)性等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都應(yīng)予以高度重視。

1 設(shè)計(jì)輸入

核電站的設(shè)備根據(jù)其安全功能和安全重要性進(jìn)行分級(jí)，通常分為核1、2、3級(jí)和非核級(jí)。本設(shè)備的安全等級(jí)為核3級(jí)，根據(jù)安全等級(jí)確定其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M 《壓水堆核電廠核電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》。

完整的設(shè)計(jì)輸入應(yīng)包含設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、工作介質(zhì)、設(shè)計(jì)流量等信息，這些將是設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本設(shè)備的設(shè)計(jì)條件如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)條件

2 材料[3，5]

設(shè)計(jì)是先導(dǎo)，但材料是基礎(chǔ)。壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、制造性和與介質(zhì)相容性。

本設(shè)備的殼側(cè)介質(zhì)為設(shè)備冷卻水，其腐蝕性較低，故選用20HR碳素鋼。20HR是在20鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要是對(duì)硫、磷等有害元素的控制更加嚴(yán)格，增加了低溫沖擊性能的要求，對(duì)鋼材的表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷的要求也較高。

本設(shè)備的管側(cè)介質(zhì)為排污水，其腐蝕性略高于設(shè)備冷卻水。選用的TU42C管材，是RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中的牌號(hào)，與國(guó)內(nèi)15Mn相當(dāng)，是一種低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性以及低溫和高溫性能等均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算[1，4]

內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算主要采用材料力學(xué)及板殼理論，按最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則來(lái)推導(dǎo)受壓元件的強(qiáng)度尺寸計(jì)算公式。本文壁厚計(jì)算選用RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中的圓柱形筒體的最小厚度計(jì)算公式：

式中P——設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa；

R——筒體內(nèi)半徑，mm；

S——筒體材料的許用應(yīng)力，MPa；

K——修正系數(shù)。

按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，式中的修正系數(shù)K取1，設(shè)計(jì)內(nèi)壓P、筒體內(nèi)半徑R為已知參數(shù)，由上式即可求得壁厚t值。

3.2 管板設(shè)計(jì)[2]

本文所設(shè)計(jì)的換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，管板形式為延長(zhǎng)部分兼作法蘭的結(jié)構(gòu)。本設(shè)備管板計(jì)算采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)。管板的厚度計(jì)算公式如下：

式中F——與筒體壁厚內(nèi)徑比值有關(guān)的系數(shù)；

G——筒體內(nèi)徑，mm；

P——設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa；

S——管板材料的許用應(yīng)力，MPa；

η——與管間距和管子外徑有關(guān)的系數(shù)。

圖1 非再生熱交換器

4 檢驗(yàn)[1，6]

焊接是壓力容器零部件之間的主要連接方法，而且容器的失效往往會(huì)在焊縫部位先失效，因此必須對(duì)焊接的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，必須對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)。

根據(jù)RCC-M的規(guī)定，每條對(duì)接焊縫焊后應(yīng)進(jìn)行20%射線(xiàn)檢驗(yàn)，且檢驗(yàn)長(zhǎng)度不小于250 mm，檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中的3級(jí)要求。進(jìn)行局部射線(xiàn)檢驗(yàn)的焊縫，發(fā)現(xiàn)有不允許的缺陷時(shí)，應(yīng)在該缺陷兩端的延伸部位增加檢查長(zhǎng)度，增加的長(zhǎng)度為該焊縫長(zhǎng)度的20%，且不小于250 mm，若仍有不允許的缺陷時(shí)，則對(duì)該焊縫進(jìn)行100%射線(xiàn)檢驗(yàn)。

5 試驗(yàn)

換熱管與管板焊接后脹接前應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.3 MPa（表壓），經(jīng)檢查無(wú)泄漏后再進(jìn)行脹接。換熱管與管板脹接后，將熱交換器殼程抽真空至1.33～0.133 Pa，且為連續(xù)抽氣，再逐個(gè)沿著管子與管板連接的焊縫噴氦檢漏，每單個(gè)焊縫允許泄漏量小于1.3×10-7Pa·m3/s為合格。

非再生熱交換器制造完畢后，應(yīng)對(duì)其殼側(cè)和管側(cè)分別按RCC-M的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1.8 MPa（表壓）和12.75 MPa（表壓）。試驗(yàn)后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行清洗，并用過(guò)濾后的干燥壓縮空氣（濕度＜65%）吹干設(shè)備。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)材料、強(qiáng)度、檢驗(yàn)和試驗(yàn)的嚴(yán)格要求，并嚴(yán)格控制非再生熱交換器在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的質(zhì)量，確保了非再生熱交換器能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

[1]RCC-M.壓水堆核電廠核電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].

[2]TEMA.美國(guó)管式換熱器制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]葉文邦,等.壓力容器設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)[M].昆明：云南科技出版社，2006.

[4]鄭津洋,等.過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[5]魏鋒,等.壓力容器設(shè)計(jì)知識(shí)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6]GB150-1998.鋼制壓力容器[S].

Non-renewable Heat Exchanger Design for Nuclear Power Plant Waste Water System

Ying Bingbin Chen Hongsheng Zhou Quan

The non-renewable heat exchanger is used to cool waste water in nuclear power plant project unit-1,the pressure of tube pass and shell pass is 7.5 MPa and 0.8 MPa,it is very dangerous if the equipment fail.In this paper it uses RCC-M code to control the material,designment,manufacture,inspection and pressure test,to make sure the heat exchanger running safety and stably.

Heat exchanger； RCC-M； Nuclear power plant； Press equipment

TQ 051.5

*應(yīng)秉斌，男，1982年1月生，碩士，工程師。上海市，200233。

2010-12-13)