核電站高壓氮氣球罐的設計及制造

楊鎮（宜昌江峽船用機械有限責任公司,湖北 宜昌 443000）

當今世界，科技日新月異，能源緊缺和環境污染日益嚴重。核電作為一種清潔能源，應用前景越來越受關注。高壓氮氣球罐作為核電站的重要組成部分，主要用于儲存和分配核電站運行時所需的高壓氮氣，工作壓力可達14.7MPa。故必須其從設計、制造、檢驗等方面綜合分析，達到技術先進、經濟合理的目的。

現以臺山核電站高壓氮氣儲罐為例，設計及制造可做如下方案。

1.設計要求

1.1 同類設備及零部件盡可能統一，以簡化維修和零件更換工作。

1.2 設備壽命為60年，在整個壽期內，設備應保持其特性和功能。

1.3 設備應便于檢查、拆卸和維修。

2.設計參數

2.1 設計溫度

《鋼制化工容器設計基礎規定》規定，安裝在室外無保溫的容器，且最低設計溫度受地區環境溫度控制時，盛裝壓縮氣體的儲罐，最低設計溫度取月平均最低氣溫的最低值減3℃。因使用地為廣東，故最低設計溫度取-10℃。

2.2 設計壓力

因設備裝有安全閥，根據GB150規定，裝有安全閥的壓力容器的設計壓力應大于等于安全閥的開啟壓力，故設計壓力取16MPa。

2.3 腐蝕余量

氮氣腐蝕速率按0.05mm/年考慮，設計壽命為60年，腐蝕余量取3mm。

3.結構選擇與論證

因高壓氮氣球罐工作壓力高，宜采用兩個半球形封頭對焊而成。根據GB150，焊接接頭φ=1.0，材料選用Q345R，考慮到腐蝕余量、鋼板厚度負偏差及制造減薄，該半球形封頭的最小厚度應大于等于62mm。

高壓氮氣球罐的進、排氣口應布置在側面，頂部設置人孔用于檢修。人孔采用自緊式密封結構，底部設計排污口。壓力表接管連接在出氣口管道上，安全閥安裝在靠近頂部的位置。

3.1 封頭的選擇

從受力與制造方面分析來看，半球形封頭雖理想，但深度大，沖壓較為困難；橢圓封頭易于沖壓成型，但受力結構較差。綜上分析考慮，采用半球形封頭較為合理。

3.2 人孔的選擇:

考慮設備制造及內件安裝，宜采用內壓自緊密封結構的人孔。半球形封頭與人孔接管焊在一起，牽制環和人孔蓋用高強度螺栓與人孔接管連接，人孔蓋和人孔接管間裝有金屬密封墊。該結構設計簡單、合理，使用安全，密封可靠。

3.3 管法蘭設計

法蘭接頭是管法蘭、墊片和緊固件的統稱，壓力容器的許多事故是由于法蘭或其它接頭的密封失效，介質泄露而釀成的，為此管法蘭接頭設計按照《固定式壓力容器安全技術監察規程》要求采用高頸整體法蘭、帶加強環的金屬纏繞墊片和專用級高強度螺栓組合，從而滿足標準和使用要求。

3.4.支座的選擇:

高壓氮氣球罐為球形容器，由兩個半球形封頭對焊而成，采用裙式支座。裙式支座是用鋼板卷制的圓筒形裙架，把球殼托住。裙架與球殼相交而造成的球殼下部球心夾角一般為60°，球殼由連續的圓環形墊板支撐在裙座上，這種裙式支座重心較低，支座較穩定，支座與球體接觸面較大，能承受較大的載荷，且消耗的金屬材料較少。

4.焊接設計

焊接設計是高壓氮氣球罐設計的重要組成部分，應遵循以下原則:

（1）選用焊接性能良好的鋼材；（2）盡量減少焊接工作量；（3）合理布置焊縫；（4）焊接施工及焊接檢驗方便，減少工作量；（5）有利于生產組織與管理。

根據以上原則，A類焊接接頭采用雙面U形坡口，焊縫表面打磨至與母材平齊。該結構滿足了接頭的使用要求，且焊接應力小，操作容易實現。

5.無損檢測要求

高壓氮氣球罐A類焊接接頭、人孔接管與殼體相焊的焊接接頭和接管與接管、接管與法蘭的B類焊接接頭，按JB/T4730.2進行100%RT檢測，檢測技術等級不低于AB級，Ⅱ級合格；按JB/T4730.3進行100%UT檢測，檢測技術等級不低于B級，Ⅰ級合格；其他安放式接管與殼體相焊的焊接接頭應作100%UT檢測，檢測技術等級不低于B級，Ⅰ級合格；以上焊縫和C、E類焊接接頭按JB/T4730.4進行100%MT檢驗，Ⅰ級合格；通過以上檢測項目，保證產品既滿足安全使用要求，又有經濟合理的制造成本。

6.熱處理要求

考慮到高壓氮氣球罐工作壓力較高，壁厚較厚，為防止在施焊過程中產生延遲裂紋，焊接后應立即進行后熱消氫處理；同時根據GB150要求，該容器應進行整體焊后消除應力熱處理，從而改變焊接接頭的組織和性能，降低殘余應力。

7.安全附件選用

為防止在實際運行時因超壓引起事故，高壓氮氣球罐應設置安全閥。當設備內壓力超過最大承載能力時，安全閥立即動作并自動泄放，使設備實際承受的壓力被限制在安全許可范圍內，從而防止高壓氮氣球罐過度超壓，使其免于發生破壞事故。

根據設計條件，按GB150進行計算，安全閥最小排氣截面積A=1.12 mm2，所需安全閥最小流道直徑d1=1.19 mm，實際選用27CA13H-520-S4 DN15安全閥，其最小流道直徑為7.5mm，滿足使用要求。

核電作為一種清潔能源，近年來在能源市場所占比重越來越大，核電裝置對壓力容器的需求也越來越大，通過優化高壓氮氣球罐設計及制造，使其安全、經濟、可靠，同時具有更廣闊的市場前景。

[1]GB150.1-4-2011《壓力容器》第一版 中國標準出版社 2012年2月.

[2]HG/T20580-2011《鋼制化工容器設計基礎規定》第一版 中國計劃出版社 2012年2月.

[3]TGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》新華出版社 2012年12月.

[4]《腐蝕數據與選材手冊》化學工業出版社 2004年1月.