核電站堆芯水箱窄量程液位變送器承壓部件設(shè)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(jiān)測的，其工作壓力為15.98MPa,工作溫度長期為10 ℃，極端條件下如8級以上地震及海嘯等，工作溫度會出現(xiàn)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(shè)備，西屋公司這個產(chǎn)品的特點是在滿足ASME BPVC-Ⅲ的設(shè)計條件下又對它附加一定的設(shè)計余量，使其產(chǎn)品過于笨重、抗震性能差[1-3]，對抗極端外部自然災(zāi)害導(dǎo)致事故發(fā)生的能力差，采用FEA有限元分析法對其應(yīng)力分析，得知其抗震指標(biāo)僅為58 Hz左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我國有關(guān)文件上的要求，故對其重 新 設(shè) 計 ； 根 據(jù) HAF003 -1991《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》及相關(guān)導(dǎo) 則[4 -5]，按 照ASME BPVC-Ⅲ 《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》Ⅰ級部件的要求進(jìn)行了設(shè)計和分析。

1 外筒承壓設(shè)計

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

1）工況參數(shù)。操作壓力為15.98 MPa。工作溫度長期為10 ℃；極端條件下（如8級以上地震及海嘯等）工作溫度會出現(xiàn)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(shè)計壓力及設(shè)計溫度。設(shè)計壓力按文獻(xiàn)[1]中NB-3112.1規(guī)定，在計算中應(yīng)采用設(shè)計壓力以表示滿足NB-3222、NB -3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2和NB3231中所有應(yīng)力強度限制的要求。本文設(shè)計壓力值為17.2 MPa。設(shè)計溫度參照執(zhí)行文獻(xiàn)[1]中NB-31112.2規(guī)定，文中設(shè)計溫度值為用戶給定值350 ℃。

3）確定腐蝕裕量。根據(jù)文獻(xiàn)[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(shè)計計算。設(shè)計方法按文獻(xiàn)[1]中NB-3641.1 受內(nèi)壓直管。設(shè)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(shè)計內(nèi)壓，MPa；D0為管件外徑，mm ，設(shè)計時應(yīng)采用不考慮公差的管件外競么計算；Sm為設(shè)計溫度下材料#大許用應(yīng)力強度，MPa（參見ASMEBPVC-ⅡD篇地衣分篇表[6]）；Py為在特定系數(shù)下的壓力值,

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

 

5）選擇外筒管材規(guī)格。根據(jù)計算結(jié)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(yīng)力。上面所選的外筒管材的實際承壓能力必須大于設(shè)計壓力。根據(jù)已經(jīng)選好的管材規(guī)格21/2"SCH80，計算#大許用應(yīng)力[1]：

式中：Sm=105 MPa（設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，參見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，計算時取105 MPa）；t=7.01 mm；D0=73 mm；y=0.4（系數(shù)，見文獻(xiàn)[1]中的NB-3641.1）。

 

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

 

2 磁浮子設(shè)計

設(shè)計原則應(yīng)能滿足文獻(xiàn) [1]中NB -3100和NB3200的 要 求 ；根據(jù)上述結(jié)果設(shè)定磁浮子外徑尺寸為52 mm。

 

2.1 工況參數(shù)

工況參數(shù)見第1節(jié)，取其#大值。

 

2.2 設(shè)計壓力及設(shè)計溫度

設(shè)計壓力按文獻(xiàn)[1]中NB-3112.1規(guī)定，在計算中應(yīng)采用設(shè)計壓力以表示滿足NB-3222、NB-3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2 和NB3231中所有應(yīng)力強度限制的要求。本文設(shè)計壓力值為17.2 MPa。

 

設(shè)計溫度參照執(zhí)行文獻(xiàn) [1]NB-31112.2規(guī)定，在要求采用規(guī)定的使用壓力所進(jìn)行的所有計算中，應(yīng)采用所考慮部位的實際金屬溫度，文中設(shè)計溫度值為用戶給定值350 ℃。

 

2.3 磁浮子結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

如圖4所示，由9個外徑為52 mm 壁厚為1.2 mm的球組成,材質(zhì)為TC4;長期正常工作液面為10 ℃、密度為1.0 g/cm3，此時浮子入水高度為346 mm; 當(dāng)出現(xiàn)極端狀態(tài)時288℃、密度為0.74 g/cm3; 此時浮子入水高度為467 mm。以上兩個工作液面高度差為467-346=121 mm。

2.4 磁浮子承壓計算

shou先算出系數(shù)A=0.125 /（R / T）= 0.125/（24.8/1.2） =0.006。 式中：R為球殼內(nèi)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]，見系數(shù)A-B表,根據(jù)TC4彈性模量求得系數(shù)B=43×10=430。用下式求得#大允許外壓：Pa=高 于 設(shè) 計 壓 力（17.2MPa）。根據(jù)計算結(jié)果得知磁浮子結(jié)構(gòu)尺寸合理可用,適合外筒設(shè)計的工作條件。

 

2.5 介質(zhì)溫度的變化與量程補償曲線

本磁浮子是按長期正常工作條件10 ℃、1.006 g/cm3標(biāo)定的，當(dāng)出現(xiàn)極端條件如八級以上地震時,反應(yīng)堆的冷卻水會進(jìn)入到儀表工作區(qū)，此時的工況條件是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(yīng)變化為1.0069 ~0.7507 g/cm3; 磁浮子是按#大密度設(shè)計的，所以當(dāng)工作溫度變化到288 ℃時，由于密度的變小儀表的輸出數(shù)據(jù)也要有所變化，變化差為121 mm。介質(zhì)溫度與密度對應(yīng)的曲線關(guān)系如圖5所示，溫度與量程補償曲線如圖6所示。

3 與美國西屋公司同類產(chǎn)品抗震載荷分析對比

抗震載荷測試是核反應(yīng)堆上一項重要性能指標(biāo)，參照美國 的ASME NQA -1 -2004核設(shè)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(yīng)的力矩載荷，載荷震動頻率5~100 Hz,運用FEA有限元應(yīng)力分析法進(jìn)行應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到載荷震動頻率要求，實驗中要求載荷震動頻率#大能達(dá)到100Hz，可是該產(chǎn)品只能達(dá)到58.8 Hz，一旦超過58.8 Hz產(chǎn)品將會永久變形破壞；而我公司的產(chǎn)品載荷震動頻率可以達(dá)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專機實現(xiàn)自動化焊接，使產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量均能達(dá)到100%Ⅰ級焊縫。

 

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