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核電站堆芯水箱窄量程液位變送器承壓部件設計
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核電站堆芯水箱窄量程液位變送器承壓部件設計

時間:2020-01-03 09:01:04

    摘 要: 目前核電站堆芯水箱供水監(jiān)測采用的液位變送器主要采用美國西屋公司的產品,其設計標準均按照ASMEBPVC- III 《核設施部件構造規(guī)則》I 級部件中的要求進行設計;美國西屋公司產品特點是體積大、抗震性能差;根據(jù)ASMEBPVC- III《核設施部件構造規(guī)則》設計規(guī)范,對核電站堆芯水箱窄量程液位變送器進行了新的設計與探討。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    引 言1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    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 ℃),介質為水。美國西屋公司產品主要由上法蘭(3"2500LB)、外筒組件、磁浮子、干簧鏈組件等組成,屬高壓壓力設備,西屋公司這個產品的特點是在滿足ASME BPVC-Ⅲ的設計條件下又對它附加一定的設計余量,使其產品過于笨重、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文件上的要求,故對其重新設計;根據(jù)HAF003-1991《核電廠質量保證安全規(guī)定》及相關導則 [4-5] ,按照ASME BPVC-Ⅲ《核設施部件構造規(guī)則》Ⅰ級部件的要求進行了設計和分析。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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1.jpg1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    1 外筒承壓設計1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    設計原則應能滿足ASME BPVC-Ⅲ《核設施部件構造規(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] 。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    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 ℃)。介質為水(含極低微量硼元素)。外筒材質為316LN/S-80S。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    2)設計壓力及設計溫度。設計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規(guī)定,在計算中應采用設計壓力以表示滿足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(zhí)行文獻[1]中NB-31112.2規(guī)定,文中設計溫度值為用戶給定值350 ℃。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    3)確定腐蝕裕量。根據(jù)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。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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    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1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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2.jpg1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    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;D 0 為管件外徑,mm ,設計時應采用不考慮公差的管件外競么計算;S m為設計溫度下材料#大許用應力強度,MPa(參見ASMEBPVC-ⅡD篇地衣分篇表 [6] );P y 為在特定系數(shù)下的壓力值,其值p y =py(文中系數(shù)y=0.4,見ASME BPVC-ⅢNB-3641.1(c)[1] )。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    5)選擇外筒管材規(guī)格。根據(jù)計算結果t m =6.011 mm,參照ASME B36.19M《不銹鋼鋼管》[7]選擇2 1 / 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閔杓埔螅ㄈ繽?)。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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3.jpg1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

     6)計算外筒的許用應力。上面所選的外筒管材的實際承壓能力必須大于設計壓力。根據(jù)已經選好的管材規(guī)格2 1 / 2 "SCH80,計算#大許用應力 [1] :1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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4.jpg1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    式中:S m =105 MPa (設計溫度下的許用應力,參見ASME-Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能 [6] ,S m #大值為124 MPa,為了更安全,計算時取105 MPa);t=7.01 mm;D 0 =73 mm;y=0.4(系數(shù),見文獻[1]中的NB-3641.1)。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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    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%。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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    2 磁浮子設計1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    設計原則應能滿足文獻 [1]中NB-3100和NB3200的要求;根據(jù)上述結果設定磁浮子外徑尺寸為52 mm。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    2.1 工況參數(shù)1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    工況參數(shù)見第1節(jié),取其#大值。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    2.2 設計壓力及設計溫度1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    設計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規(guī)定,在計算中應采用設計壓力以表示滿足NB-3222、NB-3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2 和NB3231中所有應力強度限制的要求。本文設計壓力值為17.2 MPa。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    設計溫度參照執(zhí)行文獻 [1]NB-31112.2規(guī)定,在要求采用規(guī)定的使用壓力所進行的所有計算中,應采用所考慮部位的實際金屬溫度,文中設計溫度值為用戶給定值350 ℃。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    2.3 磁浮子結構尺寸設計1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    如圖4所示,由9個外徑為52 mm 壁厚為1.2 mm的球組成,材質為TC4;長期正常工作液面為10 ℃、密度為1.0 g/cm 3 ,此時浮子入水高度為346 mm; 當出現(xiàn)極端狀態(tài)時288℃、密度為0.74 g/cm 3 ; 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。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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    2.4 磁浮子承壓計算1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    shou先算出系數(shù)A=0.125 /(R / T)= 0.125/(24.8/1.2) =0.006。 式中:R為球殼內徑,mm;T為球殼壁厚,mm。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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    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:P a =BR/T=430/ (24.8/1.2)=20.8 MPa,高 于 設 計 壓 力(17.2MPa)。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    根據(jù)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。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    2.5 介質溫度的變化與量程補償曲線1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    本磁浮子是按長期正常工作條件10 ℃、1.006 g/cm3 標定的,當出現(xiàn)極端條件如八級以上地震時,反應堆的冷卻水會進入到儀表工作區(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 ℃,介質密度也相應變化為1.0069 ~0.7507 g/cm 3 ; 磁浮子是按#大密度設計的,所以當工作溫度變化到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。介質溫度與密度對應的曲線關系如圖5所示,溫度與量程補償曲線如圖6所示。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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    3 與美國西屋公司同類產品抗震載荷分析對比1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    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,對產品的上下部位施加6g載荷和相應的力矩載荷,載荷震動頻率5~100 Hz,運用FEA有限元應力分析法進行應力和頻率分析對比,如表1所示。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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    從表1可以看出美國西屋公司的產品遠遠達不到載荷震動頻率要求,實驗中要求載荷震動頻率#大能達到100Hz,可是該產品只能達到58.8 Hz,一旦超過58.8 Hz產品將會永久變形破壞;而我公司的產品載荷震動頻率可以達到199.54 Hz,其性能明顯優(yōu)于美國西屋公司的產品。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

    4 制造與工藝1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
    壓力儀表圓形對接頭均通過專機實現(xiàn)自動化焊接,使產品的焊縫質量均能達到100%Ⅰ級焊縫。1vR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
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