應(yīng)秉斌 陳紅生 周 全
(上海核工程研究設(shè)計院)
核電廠排污系統(tǒng)非再生熱交換器設(shè)計
應(yīng)秉斌*陳紅生 周 全
(上海核工程研究設(shè)計院)
所設(shè)計的非再生熱交換器應(yīng)用于某核電廠工程1號機組的排污水冷卻,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械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》為依據(jù),通過對該設(shè)備的材料、設(shè)計、制造、檢驗和壓力試驗等環(huán)節(jié)的控制,確保該設(shè)備能安全穩(wěn)定地運行。
換熱器 RCC-M 核電廠 承壓設(shè)備
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)計是一臺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)計就是根據(jù)給定的工藝設(shè)計條件,遵循現(xiàn)行的規(guī)范標準,在確保安全的前提下,經(jīng)濟、正確地選擇材料,并進行結(jié)構(gòu)、強 (剛)度設(shè)計。設(shè)計中,在滿足設(shè)備功能的同時,還需綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗、經(jīng)濟性等環(huán)節(jié),這些環(huán)節(jié)都應(yīng)予以高度重視。
核電站的設(shè)備根據(jù)其安全功能和安全重要性進行分級,通常分為核1、2、3級和非核級。本設(shè)備的安全等級為核3級,根據(jù)安全等級確定其設(shè)計標準為RCC-M 《壓水堆核電廠核電機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》。
完整的設(shè)計輸入應(yīng)包含設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、工作介質(zhì)、設(shè)計流量等信息,這些將是設(shè)備設(shè)計的基礎(chǔ)。本設(shè)備的設(shè)計條件如表1所示。
表1 設(shè)計條件
設(shè)計是先導(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)展起來的,主要是對硫、磷等有害元素的控制更加嚴格,增加了低溫沖擊性能的要求,對鋼材的表面質(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標準中的牌號,與國內(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。
3.1 內(nèi)壓圓筒壁厚計算[1,4]
內(nèi)壓圓筒壁厚計算主要采用材料力學(xué)及板殼理論,按最大拉應(yīng)力準則來推導(dǎo)受壓元件的強度尺寸計算公式。本文壁厚計算選用RCC-M標準中的圓柱形筒體的最小厚度計算公式:
式中P——設(shè)計內(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標準,式中的修正系數(shù)K取1,設(shè)計內(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[2]
本文所設(shè)計的換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示,管板形式為延長部分兼作法蘭的結(jié)構(gòu)。本設(shè)備管板計算采用TEMA標準。管板的厚度計算公式如下:
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
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在焊縫部位先失效,因此必須對焊接的質(zhì)量進行嚴格控制,必須對焊縫進行無損檢驗。
根據(jù)RCC-M的規(guī)定,每條對接焊縫焊后應(yīng)進行20%射線檢驗,且檢驗長度不小于250 mm,檢驗結(jié)果應(yīng)符合標準中的3級要求。進行局部射線檢驗的焊縫,發(fā)現(xiàn)有不允許的缺陷時,應(yīng)在該缺陷兩端的延伸部位增加檢查長度,增加的長度為該焊縫長度的20%,且不小于250 mm,若仍有不允許的缺陷時,則對該焊縫進行100%射線檢驗。
換熱管與管板焊接后脹接前應(yīng)進行氣密性試驗,試驗壓力為0.3 MPa(表壓),經(jīng)檢查無泄漏后再進行脹接。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,再逐個沿著管子與管板連接的焊縫噴氦檢漏,每單個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)對其殼側(cè)和管側(cè)分別按RCC-M的標準進行水壓試驗,試驗壓力為1.8 MPa(表壓)和12.75 MPa(表壓)。試驗后,應(yīng)對其進行清洗,并用過濾后的干燥壓縮空氣(濕度<65%)吹干設(shè)備。
通過對材料、強度、檢驗和試驗的嚴格要求,并嚴格控制非再生熱交換器在設(shè)計和制造過程中的質(zhì)量,確保了非再生熱交換器能安全穩(wěn)定地運行。
[1]RCC-M.壓水堆核電廠核電機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則[S].
[2]TEMA.美國管式換熱器制造商協(xié)會標準[S].
[3]葉文邦,等.壓力容器設(shè)計指導(dǎo)手冊[M].昆明:云南科技出版社,2006.
[4]鄭津洋,等.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.
[5]魏鋒,等.壓力容器設(shè)計知識[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)