一種核一級(jí)換熱器的設(shè)計(jì)

陳清琦 周 全 李經(jīng)懷 陳紅生

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院)

一種核一級(jí)換熱器的設(shè)計(jì)

陳清琦*周 全 李經(jīng)懷 陳紅生

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院)

所設(shè)計(jì)的一臺(tái)換熱器為核一級(jí)設(shè)備，主要用于冷卻核島中某關(guān)鍵設(shè)備的一次側(cè)水，從而保證核電站機(jī)組的正常運(yùn)行。介紹了該換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)對(duì)設(shè)備的材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的控制，確保了該設(shè)備能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

換熱器 壓水堆核電站 HTRI 設(shè)計(jì) 熱工計(jì)算

0 引言

本文介紹的這臺(tái)換熱器為核一級(jí)設(shè)備，主要用于冷卻壓水堆核電站某關(guān)鍵設(shè)備中的一次側(cè)水 （一回路的水），以保證該設(shè)備內(nèi)的溫度不會(huì)過(guò)高，從而保證核電站機(jī)組的正常運(yùn)行。換熱器的設(shè)計(jì)就是根據(jù)給定的工藝設(shè)計(jì)條件，遵循現(xiàn)行的法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則，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)和強(qiáng) （剛）度設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，在滿足設(shè)備功能的前提下，還需綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)性等諸多環(huán)節(jié)。

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)，通常分為核一、二、三級(jí)和非核級(jí)。根據(jù)設(shè)備規(guī)范書(shū)的要求，該換熱器的管側(cè)為核一級(jí)，殼側(cè)為核三級(jí)，設(shè)備支撐為核一級(jí)。由于該設(shè)備需遵循ASME BPVC 2007版 （2008補(bǔ)遺）和TEMA第8版，因此管側(cè)的設(shè)計(jì)需滿足ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NB分卷的要求，殼側(cè)的設(shè)計(jì)需滿足ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊(cè)ND分卷的要求，設(shè)備支撐的設(shè)計(jì)需滿足ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NF分卷中對(duì)1級(jí)部件的要求。該換熱器管側(cè)介質(zhì)為一次側(cè)水，殼側(cè)介質(zhì)為設(shè)備冷卻水。其余主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。圖1所示為該換熱器的外形圖。

2 材料

壓力容器用鋼除具有一定的強(qiáng)度指標(biāo)外，還應(yīng)具有良好的抗斷裂韌性、可制造性以及與介質(zhì)的相容性等。考慮到該設(shè)備的服役環(huán)境及設(shè)計(jì)要求，決定主要材料選用304奧氏體不銹鋼。同時(shí)由于304奧氏體不銹鋼易發(fā)生晶間腐蝕，故傳熱管及管板材料選用304L。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 換熱器外形

3 熱工計(jì)算

根據(jù)規(guī)范書(shū)的規(guī)定，對(duì)于圖1所示的外形結(jié)構(gòu)，該設(shè)備采用U形管式熱交換器典型的結(jié)構(gòu)。采用 HTRI軟件對(duì)該設(shè)備進(jìn)行熱工水力計(jì)算[1]。HTRI是由美國(guó)傳熱研究學(xué)會(huì) (Heat Transfer Research Inc.）開(kāi)發(fā)的軟件，它包含了換熱器及燃燒式加熱爐的熱傳遞計(jì)算及其他相關(guān)計(jì)算軟件。該軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows用戶界面，其計(jì)算方法基于多年來(lái)HTRI收集的工業(yè)級(jí)熱傳遞設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。HTRI的計(jì)算模型采用的是完成增量法，使用設(shè)備各局部位置的物性進(jìn)行該位置的熱傳遞和壓降計(jì)算。

該換熱器計(jì)算采用HTRI中的HTRI-Xist模塊，此模塊可用于管殼式換熱器的設(shè)計(jì)、性能分析和模擬計(jì)算，支持包括所有的標(biāo)準(zhǔn)TEMA類型的計(jì)算，并且集成了流致振動(dòng)計(jì)算和管子排布工具等內(nèi)容。根據(jù)規(guī)定的換熱器幾何結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，利用HTRI的熱傳遞計(jì)算和壓降計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，可進(jìn)行換熱器性能的預(yù)測(cè)。

通過(guò)HTRI軟件的計(jì)算，獲得了正常運(yùn)行工況下滿足熱工水力設(shè)計(jì)要求的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)。該換熱器類型為BEU型，殼側(cè)筒體內(nèi)徑為670mm，總長(zhǎng)2070 mm，U形管數(shù)量為963根，規(guī)格為?9.53 mm×0.89 mm，U形管按三角形排列，管間距為12.7mm，換熱面積為110.08 m2。表2和表3分別給出了HTRI計(jì)算的流致振動(dòng)分析結(jié)果與TEMA標(biāo)準(zhǔn)中的要求對(duì)比，從對(duì)比結(jié)果可知流致振動(dòng)滿足TEMA標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求[2]。

表2 正常運(yùn)行工況管束流致振動(dòng)分析結(jié)果

表3 正常運(yùn)行工況最靠近進(jìn)口處的傳熱管流致振動(dòng)分析結(jié)果

4 強(qiáng)度計(jì)算

該換熱器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容主要有殼側(cè)筒體厚度計(jì)算、殼側(cè)封頭厚度計(jì)算、管箱筒體及管箱封頭厚度計(jì)算、傳熱管壁厚計(jì)算、管板厚度計(jì)算以及管側(cè)、殼側(cè)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。換熱器管側(cè)、殼側(cè) （除支撐外）各零部件強(qiáng)度計(jì)算滿足ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NB和ND分卷的要求。

5 檢測(cè)

焊接是壓力容器零部件之間的主要連接方法。由于容器的失效往往是在焊縫部位先失效，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)損檢測(cè)和有損檢測(cè)。

對(duì)于該換熱器，焊縫的無(wú)損檢測(cè)要求有：所有全焊透A、B類接頭需經(jīng)100%RT+PT無(wú)損檢測(cè)；所有全焊透C、D類接頭需經(jīng)100%RT或UT+PT無(wú)損檢測(cè)；其他接頭需經(jīng)100%PT檢測(cè)[3]。除此之外，還需進(jìn)行氦氣泄漏試驗(yàn)及脹管區(qū)的渦流檢測(cè)以證明U形管與管板焊縫的密封性和脹管質(zhì)量。

焊縫的有損檢測(cè)通過(guò)設(shè)置焊接見(jiàn)證件的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。焊接見(jiàn)證件應(yīng)與所代表的產(chǎn)品焊件采用同一爐批材料 （包括焊接材料），執(zhí)行同一焊接工藝規(guī)程，具有相同坡口尺寸，由同一焊工完成。見(jiàn)證件應(yīng)進(jìn)行和產(chǎn)品焊縫相同要求的無(wú)損檢測(cè)。對(duì)于該換熱器需設(shè)置傳熱管與管板之間的焊接見(jiàn)證件、管箱與管側(cè)進(jìn)出口接管之間的焊縫見(jiàn)證件、筒體縱焊縫見(jiàn)證件。傳熱管與管板之間的焊接見(jiàn)證件應(yīng)按NB-5274的要求，用液體滲透法進(jìn)行檢測(cè)，并應(yīng)滿足NB-5350的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[3]。隨后，通過(guò)每根管子沿縱向剖開(kāi)組件。剖開(kāi)前，可將管板見(jiàn)證件厚度加工到13mm。每根管子剖開(kāi)后暴露的四個(gè)面應(yīng)拋光，并用適當(dāng)?shù)慕g劑浸蝕，然后用目視檢測(cè)有無(wú)裂紋。焊縫深度應(yīng)不小于管壁厚度的1.4倍，且用10倍放大鏡進(jìn)行觀察，焊縫及熱影響區(qū)不得有裂紋、未焊透和咬邊等缺陷存在。管箱與筒體焊縫見(jiàn)證件、管箱與管側(cè)進(jìn)出口接管焊縫見(jiàn)證件和筒體縱焊縫見(jiàn)證件需按表4所示的要求進(jìn)行試驗(yàn)及驗(yàn)收。

6 試驗(yàn)

換熱器管側(cè)和殼側(cè)實(shí)施水壓試驗(yàn)，其中管側(cè)水壓試驗(yàn)按照ASME BPVC-Ⅲ-1-NB-6000的要求執(zhí)行，殼側(cè)的水壓試驗(yàn)按照ASME BPVC-Ⅲ-1-ND-6000的要求執(zhí)行[3]。

管側(cè)水壓試驗(yàn)最低壓力為21.50 MPa，殼側(cè)水壓試驗(yàn)壓力為2.13 MPa。在水壓試驗(yàn)保壓期間，不得有任何泄漏、異常變形或鼓泡。水壓試驗(yàn)所用的水質(zhì)應(yīng)為A1級(jí)水。

表4 焊接見(jiàn)證件的方法和要求

7 結(jié)論

綜上所述，設(shè)計(jì)的這臺(tái)換熱器能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)中的要求。通過(guò)對(duì)材料、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)和試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的嚴(yán)格控制，確保了該換熱器的質(zhì)量，從而保證了整個(gè)核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]HTRI[S].Version 6.

[2]TEMA-8th Edition.Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association[S].

[3]ASME BPVC-Ⅲ-1-2007+2008 Addenda.Rules for Construction of Nuclear Facility Components[S].

[4]AWS B4.0M-2000.Standard Methods for Mechanical Testing ofWelds[S].

[5]ASTM E21-2009.Standard Test Methods for Elevated Temperature Tension Tests ofMetallic Materials[S].

[6]ASTM A262-2010.Standard Practices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels[S].

Design of a Nuclear-grade 1 Heat Exchanger

Chen Qingqi Zhou Quan Li Jinghuai Chen Hongsheng

The designed nuclear-grade 1 heat exchanger ismainly used for cooling the primary side water of the key equipment of the nuclear island,so as to ensure the normal operation of the entire nuclear power unit. Introduces the design of the heat exchanger,controls thematerials,design,manufacture,inspection aswell as testing of the exchanger to ensure its safe and stable operation.

Heatexchanger;PWR nuclear power station;HTRI;Design;Thermal calculation

TQ 051.5

2012-11-07）

*陳清琦，男，1983年生，工程師。上海市，200233。