冷凝水冷卻器的設(shè)計(jì)及改進(jìn)

曹雄

（上海交通大學(xué))

0 引言

某冷凝水冷卻器是用于某核電站的一臺重要設(shè)備。該設(shè)備屬于間壁式換熱器中的管殼式換熱器，殼側(cè)設(shè)有冷卻水入口、冷卻水出口和排水口，管側(cè)設(shè)有冷凝水入口和冷凝水出口，設(shè)備底部由兩個(gè)鞍式支座支撐，通過4個(gè)M20螺紋螺柱安裝在工間內(nèi)。

該設(shè)備屬于核電站中的核三級設(shè)備，設(shè)備設(shè)計(jì)按RCC-M標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)適用標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，不同于化工行業(yè)或其他行業(yè)的管殼式換熱設(shè)備。

本文介紹了該冷凝水冷卻器的功能及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；在對原有參考設(shè)備消化吸收的基礎(chǔ)上，對該冷凝水冷卻器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并對主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算做了簡要分析。

1 結(jié)構(gòu)介紹

該冷凝水冷卻器是管殼式換熱器中的U形管換熱器，換熱管被彎成U形，管的兩端固定在同一塊管板上，省去了一塊管板。因管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時(shí)，彼此間不受約束，故消除了溫差應(yīng)力。該換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和高度的可靠性等特點(diǎn)[1-2]。

該冷凝水冷卻器的外形如圖1所示。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 管束分程

該設(shè)備在管側(cè)安置一塊分層隔板，形成雙管程以滿足工藝要求。因?yàn)楣艹虜?shù)少于4，所以采用平行隔板，可避免流體溫差較大的兩部分管束緊鄰，減小管束與管板之間的溫差應(yīng)力。

圖1 冷凝水冷卻器

1.1.2 殼程分程

該設(shè)備是單殼程換熱器，殼程中未設(shè)置縱向管板。殼程中設(shè)有冷卻水入口、冷卻水出口和排水口，其中冷卻水出、入口都在上端。

1.1.3 管子排列方式

管子在管板上的排列方式最常用的有四種，即正三角形排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列、正方形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列。該設(shè)備采用正三角形排列，正三角形排列方式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，其缺點(diǎn)是不易清洗。在考慮管子排列時(shí)，也考慮了管子間距P。P值應(yīng)大于等于1.25倍的管子外徑d0，以保證脹管時(shí)管板的剛度。

管子排列如圖2所示。

圖2 管子排列

1.1.4 折流板與拉桿

折流板是殼程內(nèi)的主要元件，其作用是提高殼程流速、增強(qiáng)湍流、改善傳熱，在臥式換熱器中折流板還起著支承管束的作用。

常用的折流板形式有單弓形、雙弓形和三重弓形等。該換熱器選用的是單弓形折流板，采用拉桿和定距管等元件與管板固定，拉桿的一端用螺紋擰入管板，中間用定距管將折流板固定，最后一塊折流板用螺母鎖緊并點(diǎn)焊固定。

1.1.5 管板

管板是換熱器的重要部件之一，用來排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作用，避免冷、熱流體混合。

在該設(shè)備中，考慮到流體介質(zhì)具有腐蝕性，管板采用的是耐腐蝕性材料00Cr19Ni10，腐蝕裕量僅為0.1 mm。管板在承受換熱管作用力的同時(shí)，也承受螺栓力 （管板兼作法蘭），見圖3。

圖3 管子與管板的焊接

1.1.6 殼體與管板的連接

該設(shè)備殼體與管板的連接形式是不可拆式，殼體與管板采用焊接連接。焊接形式、焊接點(diǎn)與設(shè)備直徑的大小、殼體壁的厚薄以及管板的形式 （管板兼作法蘭）相關(guān)[2]。

1.1.7 管子與管板的連接

管子與管板的連接是換熱器設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一部分，其連接的好壞將直接影響設(shè)備的使用壽命和安全性。在該設(shè)備中，先將管子與管板進(jìn)行焊接，然后再進(jìn)行全深度液壓脹。脹接要求是管子不能伸出管板殼側(cè)表面，應(yīng)限制在距離管板殼側(cè)表面2～5 mm范圍內(nèi)；傳熱管的脹接部分與非脹接部分應(yīng)圓滑過渡，不應(yīng)有急劇變化的棱角；脹接后管壁厚度減薄量控制在0.05～0.1 mm。最后還須進(jìn)行無損檢測，以保證連接的質(zhì)量。

管子與管板的焊接如圖3所示。

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

該換熱器是在對原有參考設(shè)備消化吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在保持總體結(jié)構(gòu)形式基本相同的條件下，對部分部件進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使之在結(jié)構(gòu)上更加可靠。

2.1 防沖板

防沖板的作用是減少進(jìn)口流體對換熱管的沖蝕，因此需要覆蓋進(jìn)口流體通道面積，在消化吸收原參考設(shè)備圖紙過程中，針對這部分進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)如下：

在原參考設(shè)備的圖紙上，防沖板被設(shè)置在殼側(cè)入口處下方，殼側(cè)入口管內(nèi)直徑為53.5 mm，而防沖板尺寸僅為52 mm×52 mm×10 mm，因此殼側(cè)入口的一部分流體將直接沖刷到換熱管上，這就導(dǎo)致了防沖板防沖蝕功能的減弱?？紤]到該設(shè)備中防沖板的左右兩邊被直接焊到定距管上 （見圖4），這樣未被防沖板覆蓋的定距管 （在防沖板左右兩側(cè)）有效地增加了防沖板的作用范圍，起到了與防沖板一樣的作用，其作用長度為80 mm。然而，防沖板并沒有有效實(shí)現(xiàn)防沖功能，因此對防沖板進(jìn)行了尺寸上的改進(jìn)。更改后的防沖板尺寸為80 mm×52 mm×10 mm，如圖5所示。這樣，就可使防沖板和定距管的防沖作用距離一致。

圖4 防沖板與定距管的焊接

2.2 法蘭

該設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)按RCC-M標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在滿足相關(guān)要求的前提下，參照美國ASME第Ⅲ卷相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使設(shè)備更加可靠。其改進(jìn)內(nèi)容如下：

由于原參考設(shè)備圖紙中法蘭頸部的尺寸 （參見圖6）與ASME第Ⅲ卷附錄Ⅺ卷Ⅺ-3120-1中圖6(a)的規(guī)定有局部差異，法蘭頸g0段 (g0=12.7 mm)長度只有 10 mm，小于1.5g0(1.5g0=19.05 mm)，因此對這部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。在不變動(dòng)整體裝配尺寸的前提下，考慮對法蘭作適當(dāng)變動(dòng) （參見圖7）。也就是說，將法蘭的形式向Ⅺ-3120-1中圖6的形式靠近， 使h(h=20 mm)大于1.5g0(1.5g0=19.05 mm)且頸部斜率小于1∶3，這樣法蘭這部分的設(shè)計(jì)就更加合理了。

圖5 防沖板與定距管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

圖6 原法蘭頸部尺寸

圖7 改進(jìn)后的法蘭頸部尺寸

3 設(shè)備計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

該設(shè)備為核級設(shè)備，其強(qiáng)度計(jì)算按RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》規(guī)范執(zhí)行。核級材料許用應(yīng)力按RCC-M ZⅢ300的規(guī)范執(zhí)行。

3.2 設(shè)備計(jì)算

設(shè)備計(jì)算是設(shè)備設(shè)計(jì)施工過程中非常重要的一部分，也是檢驗(yàn)設(shè)備安全性的重要依據(jù)。

設(shè)備計(jì)算主要包括以下幾部分內(nèi)容：管、殼側(cè)筒體與封頭壁厚按3級部件D3000計(jì)算，部件只承受內(nèi)壓；殼體上接管部位，因滿足RCC-M殼體和封頭上不需補(bǔ)強(qiáng)的開孔要求 （公稱直徑小于或等于50 mm的孤立圓形開孔不需補(bǔ)強(qiáng)），所以無需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

管板厚度計(jì)算根據(jù)RCC-M D3000的規(guī)定，必須按照TEMA標(biāo)準(zhǔn)R7.1規(guī)定計(jì)算。該設(shè)備管板屬于固定式U形管管板，并且管板兼作法蘭。在管板兼作法蘭部分厚度計(jì)算校核時(shí)，采用了迭代計(jì)算方法，其計(jì)算流程如圖8所示。

圖8中，Tr為延長部分的最小厚度，T為管板有效厚度。

圖8 管板厚度的計(jì)算流程

4 總結(jié)

冷凝水冷卻器是一臺單殼程雙管程、殼體內(nèi)設(shè)置折流板、管側(cè)管箱內(nèi)焊有分程隔板的典型管殼式換熱器。在這臺設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，對作為設(shè)計(jì)輸入的參考電站圖紙中存在的設(shè)備法蘭及防沖板結(jié)構(gòu)不合理之處，根據(jù)適用的有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，修改后的設(shè)備更加安全可靠。

[1] 聶清德.化工設(shè)備設(shè)計(jì) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

[2] 唐淑萍.管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)， 2002， 23 （5）： 39-41.