散裂中子源冷卻水過濾器的設計*

□ 李繼紅 □ 馮 光

1.散裂中子源科學中心 廣東東莞 523808 2.中國科學院高能物理研究所東莞分部 廣東東莞 523803

1 設計背景

中國散裂中子源作為“十一五”期間國家重點建設的十二個重大科技基礎設施項目之首,由中國科學院和廣東省共同建設,是我國首臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源,填補了我國脈沖中子源應用領域的空白,為材料科學、物理學、化學化工、資源環境、生命科學和新能源等學科領域的突破提供了重要研究手段。其中,水冷系統主要吸收加速器和靶站譜儀等各種設備所產生的熱量,使水質保持在一定的電導率以內,以降低用電設備的漏電流,防止腐蝕結垢,提高設備的散熱效率,盡量減少水體的感生活化,防止水中活化顆粒散發于大氣中。水冷系統由一次水系統、二次水系統、低放廢水收集及排放系統、純水補水系統和水冷監控系統組成[1-2]。

2 設計要求

由于系統設備需要通電運行,會產生大量的熱量,一次水系統主要通過冷凍水直接將設備產生的熱量帶走,從而達到冷卻設備的目的。一次水系統冷卻介質為去離子水,系統總設計循環流量為1 965 m3/h,總設計負荷為14 321 kW。冷卻水過濾器主要應用在一次水系統,過濾一些固體顆粒雜質[3]。由于該系統冷凍水直接與加速器設備接觸,水質會不同程度地受到放射性污染,因此過濾器設計要保留一定的閾度。一次水系統的設計壓力為1.6 MPa,因此冷卻水過濾器的設計壓力為1.6 MPa,設計溫度50 ℃。如圖1所示,冷卻水過濾器結構主要包括筒體、上下封頭、密封法蘭、過濾筒、支腿等[4]。

3 過濾器強度計算

筒體和封頭是冷卻水過濾器主要的承壓部件,為了保證正常運行,設計時主要對這兩個部件進行強度計算[5]。由于工藝的要求,筒體和封頭有多種接管,選擇其中一種接管進行強度計算。

3.1 筒體

筒體材料選用S30408,為了減少焊縫數量,使用無縫鋼管進行制造[6],在設計溫度下的許用應力為116 MPa。筒體的計算厚度δ1為[7]:

式中:Pc為計算壓力,Pc=1.6 MPa;Di為內徑,Di=510 mm;[σ]t為設計溫度下的許用應力,[σ]t=116 MPa;φ為焊接接頭因數,φ=0.85。

▲圖1 冷卻水過濾器結構

有效厚度δe為:

δe=δn-C1-C2=7.5 mm

式中:δn為名義厚度,δn=10 mm；C1為鋼板負偏差,C1=1 mm;C2為腐蝕余量,C2=1.5 mm。

在筒體名義厚度取10 mm的情況下,反向進行壓力和應力的校核。在此條件下，最大許用工作壓力[Pw]為:

設計溫度下的計算應力σt為:

校核條件為[σ]tφ=98.6 MPa≥σt,因此該設計壁厚符合要求。

根據GB/T 150—2011《壓力容器》等面積補強法計算接管補強面積。計算壓力為1.6 MPa,殼體材料S30408的名義厚度為10 mm,接管材料S30408的規格為φ150 mm×6 mm,則有：

A1+A2+A3+A4=637 mm2≥A=616.49 mm2

式中:A1為殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,A1=450 mm2;A2為接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,A2=172 mm2;A3為有效補強區內焊縫金屬的截面積,A3=15 mm2;A4為有效補強區內另外再增加的補強元件的金屬截面積,A4=0;A為所需最小的補強面積。

通過上述計算,接管處不需要另外進行補強。

3.2 封頭

過濾器上下封頭采用標準的橢圓形封頭,材料均為S30408。

形狀因數K為:

計算厚度δ2為:

有效厚度δe為:

δe=δn-C1-C2=6.2 mm

式中:Pc=1.6 MPa;Di=514 mm;hi為曲面高度,hi=128.5mm;[σ]t=137 MPa;δn=8 mm;C1=0.8 mm;C2=1.5 mm;φ=0.85。

在封頭名義厚度為8 mm的情況下進行壓力校核,最大允許工作壓力[Pw]為:

該厚度的封頭強度符合要求。

根據GB/T 150—2011等面積補強法計算接管補強面積。計算壓力為1.6 MPa,殼體材料S30408的名義厚度為8 mm,接管材料S30408的規格為φ150 mm×6 mm,A1=398 mm2,A2=146 mm2,A3=12 mm2,A4=0 mm2,則有:

A1+A2+A3+A4=556 mm2≥A=484.45 mm2

上述計算表明接管處不需要另外進行補強。

4 有限元強度校核

采用有限元仿真軟件進行強度驗證,以檢驗力學計算的正確性。應用Inventor應力分析模塊對該設備的受力情況進行仿真,Inventor是美國AutoDesk公司推出的參數化實體模擬軟件。與其它同類產品相比,該軟件在用戶界面、三維運算速度和顯示著色功能有突破性進展[8]。

建立過濾器模型,進行網格劃分。平均元素取0.1,最小元素取0.2,分級因數為1.5,最大轉角為60°。通過仿真計算得到應力云圖和橫向、縱向變形云圖,根據應力及變形云圖可以得到過濾器各部分的應力、變形大小及最大應力和最大變形的位置[9]。

Von Mises是一種屈服準則,屈服準則的值通常叫等效應力,它遵循材料力學第四強度理論。通過圖2可以得到過濾器筒體和封頭的最大等效應力為44.23 MPa,小于計算出的設計溫度下的應力水平。圖3顯示橫向變形最大為0.05 mm,圖4顯示縱向變形最大為0.10 mm,過濾器的強度和剛度都滿足要求。使用有限元仿真軟件進行受力分析,所得結果與理論計算所得結果較為吻合,互相印證了強度設計的安全性。

5 工藝及測試

由于過濾器冷卻介質的特殊性,為了保證過濾器的制造質量,減少縱焊縫的數量,筒體采用φ530 mm×10 mm的無縫不銹鋼管加工制造。封頭與筒體對接外錯邊量小于1 mm,內部焊縫應磨平后拋光,外部焊縫應打磨圓滑過渡。過濾筒采用φ325 mm×6 mm的無縫不銹鋼管,由于內筒壁較厚,不能使用沖壓成孔的方式進行,因此過濾筒采用鉆孔方式制造。在內筒外圍使用80目的不銹鋼濾網通過卡箍鎖緊,制成過濾筒。筒體部分A、B類焊縫均應按JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》的規定進行100%射線探傷,不低于Ⅱ級為合格。其余的焊縫應進行100%滲透探傷檢測及外觀檢查,不得有表面缺陷存在,Ⅰ級為合格。凡屬質量檢驗不合格的焊縫,應按有關規定進行焊接修補,同一部位返修次數不宜超過兩次[10]。筒體建造完畢后應用去離子水進行水壓試驗,試驗壓力為1.6 MPa。當水壓試驗壓力達到1.6 MPa時,30 min內無壓降,且無滲無漏、無可見變形和異常響聲即為合格。水壓試驗后應將水漬清除干凈。當試驗水質無法達到這一要求時,必須確保試驗用水的氯離子含量不超過25 mg/L。

▲圖2 等效應力云圖▲圖3 橫向變形云圖▲圖4 縱向變形云圖

6 結束語

冷卻水過濾器是中國散裂中子源水冷系統重要設備之一。由于被冷卻設備的特殊性,對過濾器質量要求較高。根據工藝的要求,筆者設計了一種冷卻水過濾器。這一冷卻水過濾器結構簡單,制造方便,易于清洗,造價較低。根據GB/T 150—2011的要求進行有限元仿真,并對設備的強度進行驗算,符合設計要求。該設備在實際使用過程中較好地滿足了工藝的要求。