核電站堆芯水箱窄量程液位變送器承壓部件設計

 

引 言

美國西屋公司的堆芯水箱窄量程液位變送器 （如圖1），是用在核電站堆芯供水監測的，其工作壓力為15.98MPa,工作溫度長(cháng)期為10 ℃，極端條件下如8級以上地震及海嘯等，工作溫度會(huì )出現峰值（288 ℃）,介質(zhì)為水。美國西屋公司產(chǎn)品主要由上法蘭（3"2500LB）、外筒組件、磁浮子、干簧鏈組件等組成,屬高壓壓力設備，西屋公司這個(gè)產(chǎn)品的特點(diǎn)是在滿(mǎn)足ASME BPVC-Ⅲ的設計條件下又對它附加一定的設計余量，使其產(chǎn)品過(guò)于笨重、抗震性能差[1-3]，對抗極端外部自然災害導致事故發(fā)生的能力差，采用FEA有限元分析法對其應力分析，得知其抗震指標僅為58 Hz左右，遠遠達不到我國有關(guān)文件上的要求，故對其重 新 設 計 ； 根 據 HAF003 -1991《核電廠(chǎng)質(zhì)量保證安全規定》及相關(guān)導 則[4 -5]，按 照ASME BPVC-Ⅲ 《核設施部件構造規則》Ⅰ級部件的要求進(jìn)行了設計和分析。

1 外筒承壓設計

設 計 原 則 應 能 滿(mǎn) 足ASME BPVC-Ⅲ 《核設施部件構造規則》中NB-3100和NB -3200款 項 中 的 要 求 [1]，根據工作條件擬選外管1500LB，2 1/2"SCH80規格;法蘭選用3"1500LB RF[2]。

1）工況參數。操作壓力為15.98 MPa。工作溫度長(cháng)期為10 ℃；極端條件下（如8級以上地震及海嘯等）工作溫度會(huì )出現峰值（288 ℃）。介質(zhì)為水（含極低微量硼元素）。外筒材質(zhì)為316LN/S-80S。

2）設計壓力及設計溫度。設計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規定，在計算中應采用設計壓力以表示滿(mǎn)足NB-3222、NB -3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2和NB3231中所有應力強度限制的要求。本文設計壓力值為17.2 MPa。設計溫度參照執行文獻[1]中NB-31112.2規定，文中設計溫度值為用戶(hù)給定值350 ℃。

3）確定腐蝕裕量。根據文獻[1]中NB3641.1（c）增加壁厚以防腐蝕侵蝕；該工況水 （含極低微量硼元素）對316LN的年腐蝕量為0。

4）外筒承壓設計計算。設計方法按文獻[1]中NB-3641.1 受內壓直管。設計壓力所要求的#小外筒壁厚

式中：A為附加厚度，mm，按照表NB-3641.1（a）-1[1]的非鐵素體鋼管取A=0.4mm；P為設計內壓，MPa；D0為管件外徑，mm ，設計時(shí)應采用不考慮公差的管件外競么計算；Sm為設計溫度下材料#大許用應力強度，MPa（參見(jiàn)ASMEBPVC-ⅡD篇地衣分篇表[6]）；Py為在特定系數下的壓力值,

其值py=py（文中系數y=0.4，見(jiàn)ASME BPVC-ⅢNB-3641.1（c）[1]）。

 

5）選擇外筒管材規格。根據計算結果tm=6.011 mm,參照ASME B36.19M《不銹鋼鋼管》[7] 選擇21/2" SCH80的管材，其名義壁厚為7.01 mm＞計算厚度6.011 mm,箂hou隳藶�组h杓埔�求（壤_?）。

6）計算外筒的許用應力。上面所選的外筒管材的實(shí)際承壓能力必須大于設計壓力。根據已經(jīng)選好的管材規格21/2"SCH80，計算#大許用應力[1]：

式中：Sm=105 MPa（設計溫度下的許用應力，參見(jiàn)ASME-Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能[6],Sm#大值為124 MPa，為了更安全，計算時(shí)取105 MPa）；t=7.01 mm；D0=73 mm；y=0.4（系數，見(jiàn)文獻[1]中的NB-3641.1）。

 

7）焊縫及坡口設計。如圖2所示，該筒體上有兩道同軸對焊縫，按照文獻[1]中NB-4245和NB-4250的要求，焊道設計成全焊透焊縫如圖3所示。兩道焊道在全我公司自動(dòng)氬弧焊專(zhuān)機上一次完成，能得到優(yōu)良的焊接接頭，其RT檢測可保證100%。

 

2 磁浮子設計

設計原則應能滿(mǎn)足文獻 [1]中NB -3100和NB3200的 要 求 ；根據上述結果設定磁浮子外徑尺寸為52 mm。

 

2.1 工況參數

工況參數見(jiàn)第1節，取其#大值。

 

2.2 設計壓力及設計溫度

設計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規定，在計算中應采用設計壓力以表示滿(mǎn)足NB-3222、NB-3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2 和NB3231中所有應力強度限制的要求。本文設計壓力值為17.2 MPa。

 

設計溫度參照執行文獻 [1]NB-31112.2規定，在要求采用規定的使用壓力所進(jìn)行的所有計算中，應采用所考慮部位的實(shí)際金屬溫度，文中設計溫度值為用戶(hù)給定值350 ℃。

 

2.3 磁浮子結構尺寸設計

如圖4所示，由9個(gè)外徑為52 mm 壁厚為1.2 mm的球組成,材質(zhì)為T(mén)C4;長(cháng)期正常工作液面為10 ℃、密度為1.0 g/cm3，此時(shí)浮子入水高度為346 mm; 當出現極端狀態(tài)時(shí)288℃、密度為0.74 g/cm3; 此時(shí)浮子入水高度為467 mm。以上兩個(gè)工作液面高度差為467-346=121 mm。

2.4 磁浮子承壓計算

shou先算出系數A=0.125 /（R / T）= 0.125/（24.8/1.2） =0.006。 式中：R為球殼內徑，mm；T為球殼壁厚，mm。參 考 ASME - Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能[6]，見(jiàn)系數A-B表,根據TC4彈性模量求得系數B=43×10=430。用下式求得#大允許外壓：Pa=高 于 設 計 壓 力（17.2MPa）。根據計算結果得知磁浮子結構尺寸合理可用,適合外筒設計的工作條件。

 

2.5 介質(zhì)溫度的變化與量程補償曲線(xiàn)

本磁浮子是按長(cháng)期正常工作條件10 ℃、1.006 g/cm3標定的，當出現極端條件如八級以上地震時(shí),反應堆的冷卻水會(huì )進(jìn)入到儀表工作區，此時(shí)的工況條件是288 ℃、5.98MPa;由于工作溫度變化很大，從10 ℃變化到288 ℃,介質(zhì)密度也相應變化為1.0069 ~0.7507 g/cm3; 磁浮子是按#大密度設計的，所以當工作溫度變化到288 ℃時(shí)，由于密度的變小儀表的輸出數據也要有所變化，變化差為121 mm。介質(zhì)溫度與密度對應的曲線(xiàn)關(guān)系如圖5所示，溫度與量程補償曲線(xiàn)如圖6所示。

3 與美國西屋公司同類(lèi)產(chǎn)品抗震載荷分析對比

抗震載荷測試是核反應堆上一項重要性能指標，參照美國 的ASME NQA -1 -2004核設施質(zhì)量保證大綱要求[2]中地震試驗要求，在未加固定支架情況下，對產(chǎn)品的上下部位施加6g載荷和相應的力矩載荷，載荷震動(dòng)頻率5~100 Hz,運用FEA有限元應力分析法進(jìn)行應力和頻率分析對比，如表1所示。

從表1可以看出美國西屋公司的產(chǎn)品遠遠達不到載荷震動(dòng)頻率要求，實(shí)驗中要求載荷震動(dòng)頻率#大能達到100Hz，可是該產(chǎn)品只能達到58.8 Hz，一旦超過(guò)58.8 Hz產(chǎn)品將會(huì )永久變形破壞；而我公司的產(chǎn)品載荷震動(dòng)頻率可以達到199.54 Hz，其性能明顯優(yōu)于美國西屋公司的產(chǎn)品。

 

4 制造與工藝

壓力儀表圓形對接頭均通過(guò)專(zhuān)機實(shí)現自動(dòng)化焊接，使產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量均能達到100%Ⅰ級焊縫。

 

相關(guān)產(chǎn)品tuijian：熱電阻溫度計