核電廠排污系統非再生熱交換器設計

應秉斌 陳紅生 周 全

(上海核工程研究設計院)

核電廠排污系統非再生熱交換器設計

應秉斌*陳紅生 周 全

(上海核工程研究設計院)

所設計的非再生熱交換器應用于某核電廠工程1號機組的排污水冷卻，其管側和殼側分別承受7.5 MPa和0.8 MPa的壓力，一旦失效其危害性較大。 以RCC-M 《壓水堆核電廠核電機械設備設計和建造規則》為依據，通過對該設備的材料、設計、制造、檢驗和壓力試驗等環節的控制，確保該設備能安全穩定地運行。

換熱器 RCC-M 核電廠 承壓設備

0 引言

非再生熱交換器是核電站蒸汽發生器排污系統中的重要設備。該設備用于將蒸汽發生器二次側的排污水溫度降至60℃以下，以保證排污系統中除鹽器樹脂的良好工作條件。非再生熱交換器的管側和殼側分別承受一定的內壓，屬壓力容器范圍。壓力容器設計是一臺壓力容器誕生的第一步，也是質量保證的第一環節。壓力容器設計就是根據給定的工藝設計條件，遵循現行的規范標準，在確保安全的前提下，經濟、正確地選擇材料，并進行結構、強 （剛）度設計。設計中，在滿足設備功能的同時，還需綜合考慮材料、結構、制造、檢驗、經濟性等環節，這些環節都應予以高度重視。

1 設計輸入

核電站的設備根據其安全功能和安全重要性進行分級，通常分為核1、2、3級和非核級。本設備的安全等級為核3級，根據安全等級確定其設計標準為RCC-M 《壓水堆核電廠核電機械設備設計和建造規則》。

完整的設計輸入應包含設計壓力、設計溫度、工作介質、設計流量等信息，這些將是設備設計的基礎。本設備的設計條件如表1所示。

表1 設計條件

2 材料[3，5]

設計是先導，但材料是基礎。壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性和與介質相容性。

本設備的殼側介質為設備冷卻水，其腐蝕性較低，故選用20HR碳素鋼。20HR是在20鋼基礎上發展起來的，主要是對硫、磷等有害元素的控制更加嚴格，增加了低溫沖擊性能的要求，對鋼材的表面質量和內部缺陷的要求也較高。

本設備的管側介質為排污水，其腐蝕性略高于設備冷卻水。選用的TU42C管材，是RCC-M標準中的牌號，與國內15Mn相當，是一種低合金鋼，具有優良的綜合力學性能，其強度、韌性、耐腐蝕性以及低溫和高溫性能等均優于相同含碳量的碳素鋼。

3 強度設計

3.1 內壓圓筒壁厚計算[1，4]

內壓圓筒壁厚計算主要采用材料力學及板殼理論，按最大拉應力準則來推導受壓元件的強度尺寸計算公式。本文壁厚計算選用RCC-M標準中的圓柱形筒體的最小厚度計算公式：

式中P——設計內壓，MPa；

R——筒體內半徑，mm；

S——筒體材料的許用應力，MPa；

K——修正系數。

按照RCC-M標準，式中的修正系數K取1，設計內壓P、筒體內半徑R為已知參數，由上式即可求得壁厚t值。

3.2 管板設計[2]

本文所設計的換熱器結構如圖1所示，管板形式為延長部分兼作法蘭的結構。本設備管板計算采用TEMA標準。管板的厚度計算公式如下：

式中F——與筒體壁厚內徑比值有關的系數；

G——筒體內徑，mm；

P——設計內壓，MPa；

S——管板材料的許用應力，MPa；

η——與管間距和管子外徑有關的系數。

圖1 非再生熱交換器

4 檢驗[1，6]

焊接是壓力容器零部件之間的主要連接方法，而且容器的失效往往會在焊縫部位先失效，因此必須對焊接的質量進行嚴格控制，必須對焊縫進行無損檢驗。

根據RCC-M的規定，每條對接焊縫焊后應進行20%射線檢驗，且檢驗長度不小于250 mm，檢驗結果應符合標準中的3級要求。進行局部射線檢驗的焊縫，發現有不允許的缺陷時，應在該缺陷兩端的延伸部位增加檢查長度，增加的長度為該焊縫長度的20%，且不小于250 mm，若仍有不允許的缺陷時，則對該焊縫進行100%射線檢驗。

5 試驗

換熱管與管板焊接后脹接前應進行氣密性試驗，試驗壓力為0.3 MPa（表壓），經檢查無泄漏后再進行脹接。換熱管與管板脹接后，將熱交換器殼程抽真空至1.33～0.133 Pa，且為連續抽氣，再逐個沿著管子與管板連接的焊縫噴氦檢漏，每單個焊縫允許泄漏量小于1.3×10-7Pa·m3/s為合格。

非再生熱交換器制造完畢后，應對其殼側和管側分別按RCC-M的標準進行水壓試驗，試驗壓力為1.8 MPa（表壓）和12.75 MPa（表壓）。試驗后，應對其進行清洗，并用過濾后的干燥壓縮空氣（濕度＜65%）吹干設備。

6 結論

通過對材料、強度、檢驗和試驗的嚴格要求，并嚴格控制非再生熱交換器在設計和制造過程中的質量，確保了非再生熱交換器能安全穩定地運行。

[1]RCC-M.壓水堆核電廠核電機械設備設計和建造規則[S].

[2]TEMA.美國管式換熱器制造商協會標準[S].

[3]葉文邦,等.壓力容器設計指導手冊[M].昆明：云南科技出版社，2006.

[4]鄭津洋,等.過程設備設計[M].北京：化學工業出版社，2001.

[5]魏鋒,等.壓力容器設計知識[M].北京：化學工業出版社，2005.

[6]GB150-1998.鋼制壓力容器[S].

Non-renewable Heat Exchanger Design for Nuclear Power Plant Waste Water System

Ying Bingbin Chen Hongsheng Zhou Quan

The non-renewable heat exchanger is used to cool waste water in nuclear power plant project unit-1,the pressure of tube pass and shell pass is 7.5 MPa and 0.8 MPa,it is very dangerous if the equipment fail.In this paper it uses RCC-M code to control the material,designment,manufacture,inspection and pressure test,to make sure the heat exchanger running safety and stably.

Heat exchanger； RCC-M； Nuclear power plant； Press equipment

TQ 051.5

*應秉斌，男，1982年1月生，碩士，工程師。上海市，200233。

2010-12-13)