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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

來源: 作者:李惠力 發布日期:2020-05-05

     摘 要: 目前核電站堆芯水箱供水監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ASMEBPVC- III《核設施部件構造規則》設計規范,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。

    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HAF003-1991《核電廠質量保證安全規定》及相關導則 [4-5] ,按照ASME BPVC-Ⅲ《核設施部件構造規則》Ⅰ級部件的要求進行了設計和分析。

 

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    1 外筒承壓設計
    設計原則應能滿足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)工作溫度會出現峰值(288 ℃)。介質為水(含極低微量硼元素)。外筒材質為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。設計壓力所要求的非常小外筒壁厚

 

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    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徑來計算;S m為設計溫度下材料非常大許用應力強度,MPa(參見ASMEBPVC-ⅡD篇非常好分篇表 [6] );P y 為在特定系數下的壓力值,其值p y =py(文中系數y=0.4,見ASME BPVC-ⅢNB-3641.1(c)[1] )。

    5)選擇外筒管材規格。根據計算結果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,故足能滿足設計要求(如圖2)。

 

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     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。根據已經選好的管材規格2 1 / 2 "SCH80,計算非常大許用應力 [1] :

 

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    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 非常大值為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,見文獻[1]中的NB-3641.1)。

 

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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,能得到優良的焊接接頭,其RT檢測可保證100%。

 

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    2 磁浮子設計
    設計原則應能滿足文獻 [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
    工況參數見第1節,取其非常大值。

    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 ℃。

    2.3 磁浮子結構尺寸設計
    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; 當出現極端狀態時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。

 

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    2.4 磁浮子承壓計算
    首先算出系數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。用下式求得非常大允許外壓:P a =BR/T=430/ (24.8/1.2)=20.8 MPa,高 于 設 計 壓 力(17.2MPa)。

    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 標定的,當出現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,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 ; 磁浮子是按非常大密度設計的,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據也要有所變化,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。

 

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    3 與美國西屋公司同類產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。

 

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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非常大能達到100Hz,可是該產品只能達到58.8 Hz,一旦超過58.8 Hz產品將會yongjiu變形破壞;而我公司的產品載荷震動頻率可以達到199.54 Hz,其性能明顯優于美國西屋公司的產品。

    4 制造與工藝
    壓力儀表圓形對接頭均通過專機實現自動化焊接,使產品的焊縫質量均能達到100%Ⅰ級焊縫。
 

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