某反應堆高溫高壓回路二回路過濾器的結構設計

周寅鵬 衣大勇 范月容 姚成志 石辰蕾 郭志家 彭朝暉

(中國原子能科學研究院 北京 102413)

高溫高壓瞬態綜合試驗回路（簡稱高溫高壓回路）是某反應堆應用研究平臺建設內容之一。該回路建設的主要目的是為了提升某反應堆的科研應用能力，使其適用于核燃料和核材料的堆內輻照試驗等要求。

其中，二回路系統為高溫高壓試驗回路的中間回路，在正常運行工況下將主回路的熱量連續不斷的傳遞給三回路。回路中的冷卻水由循環泵送入主熱交換器，通過主熱交換器將一回路水熱量帶出，并流入二回路熱交換器，通過二回路熱交換器，將熱量傳遞給三回路冷卻水，而后回到循環泵的入口，完成二回路的循環過程。

由于二回路為采用去離子水的閉式循環回路，故需要通過設置過濾器將二回路中冷卻水的不溶性雜質過濾掉，以防止其進入工作介質對循環泵和其它設備造成損傷。根據功能要求及設計參數對二回路過濾器進行合理的結構設計，并依據相關規范對其進行強度校核，是完成二回路過濾器設計工作的主要內容。

1 設計參數

二回路過濾器的主要功能是過濾高溫高壓回路二回路系統中冷卻劑的不溶性雜質，以防止其進入工作介質對循環泵和其它設備造成損傷,其主要設計參數見表1所示。

2 結構介紹

高溫高壓二回路系統過濾器設計為圓柱形容器，主要由連接法蘭、接頭組件、濾管組件、濾網、濾筒組件、卡箍及連接緊固件等結構組成。其最大法蘭外徑為Φ220mm，總長約640mm，總重約46kg，全部材質均選擇為不銹鋼S30408；兩端分別為入口和出口，通過法蘭與回路連接。

流體在入口側通過法蘭進入外套管與過濾管之間的間隙，隨后通過濾管外壁上共300個Φ10mm孔進入濾管內部后再經法蘭流出。濾管外壁包扎有兩層80目不銹鋼絲網，并通過3組卡箍分別用螺栓、螺母使不銹鋼絲網與濾管固定。二回路過濾器結構示意圖如圖1所示。

3 結構分析

在本二回路過濾器的結構設計中，過濾器與管道為法蘭連接，便于過濾器的安裝與拆卸；過濾器的進、出水側設計為錐形結構，減少流動了阻力；過濾管外壁采用兩層80目不銹鋼絲網包扎，并用卡箍通過螺栓、螺母固定以便鋼絲網堵塞時進行更換；入口側流體流經外套管與濾管間隙經濾網后進入濾管，最后通過法蘭流出，以利于鋼絲網與濾管外壁緊密貼合，在運行過程中，使其處于正常工作狀態。

4 設計計算

本二回路過濾器的設計計算按照GB 150《壓力容器》[1]進行常規計算與強度校核。

4.1 筒體直徑確定

根據出口入口尺寸Φ60.3×3mm，選取異徑接頭公稱尺寸為DN100×50（小端外徑為Φ60.3mm、大端外徑為Φ114.3mm，長度102mm）。選取容器的內徑為Φ107mm，壁厚為4mm，由容器的總容積為0.004m3，計算得到筒體長度約為350mm。

4.2 焊接接頭系數

選擇焊接接頭型式為全焊透焊接接頭，100%無損檢測，查GB 150 P13，取焊接接頭系數φ＝1.0。

4.3 材料

過濾器有鍛件、棒材、板材，材質為S30408。

查GB 150 P49得在150℃下，該材料的許用應力為137MPa。即設計溫度為150℃，[б]t=137 MPa。

4.4 筒體壁厚計算

容器設計壓力為1.6MPa。因為Pc=1.6MPa＜0.4[б]tφ=54.8MPa，所以：

計 算 厚 度：δ=PcDi/（2[б]tφ-Pc）=1.6×107/（2×137×1.0-1.6）≈0.63mm

式中：

Pc—設計壓力，MPa；

Di—筒體內徑，mm；

[б]t—設計溫度下筒體材料的許用應力，MPa；

φ—焊接接頭系數，取1.0；

C1—鋼材厚度負偏差，查GB/T 14976，C1=0.4mm；

C2—腐蝕裕量，查《不銹鋼資料手冊》按30年計算，取0.8mm。

壁厚附加量：C=C1+C2=1.2mm

設計厚度：δd=δ+C2=0.63+0.8=1.43mm

名義厚度：δd+C1=1.43+0.3＝1.73mm，取δn=4mm

有效厚度：δe=δn-C=4-1.2=2.8mm

表1 二回路過濾器設計參數

圖1 二回路過濾器結構示意圖

4.5 筒體壁厚外壓校核

設備驗收合格后需進行抽真空操作，然后充入惰性氣體，故須對容器進行外壓強度校核。

由于D0/δe=115/2.8≈41＞20，且L/D0=410/115≈3.6，查GB 150 P100圖4-2，可得外壓應變系數A=1.44×10-3；查GB 150 P84表B.13，材料在150℃下的彈性模量為E=1.86×105MPa，根據GB 150 P103圖4-8，可得外壓應力系數B≈72MPa。

[p]=B/(D0/δe)=72/41=1.76MPa＞pc≈0.1MPa，故外壓強度校核合格。

其中：

D0—筒體外直徑，mm；

δe—筒體有效厚度，mm；

L—筒體計算長度，取兩法蘭與筒體焊接點之間的長度，mm；

[p]—許用外壓力，MPa；

pc—計算外壓力，MPa。

4.6 法蘭和螺栓強度計算

查GB/T 9119－2000 《平面、突面板式平焊鋼制管法蘭》選用PN4.0MPa 標準的DN50法蘭及PN1.6MPa標準的DN100法蘭；查《機械設計手冊》[2]選用六角螺栓M16×70及雙頭螺柱M16×110。由于采用標準法蘭及螺栓，且使用工況滿足標準使用條件，故無需進行強度計算。

5 壓力試驗

5.1 水壓試驗壓力確定

本設備采用水壓試驗，按照GB 150-2011中4.6.2.2節式（5）確定試驗壓力：

PT=1.25P[б]/[б]t=1.25×1.6×137/137=2MPa

式中：

PT—試驗壓力，MPa；

P—設計壓力，1.6MPa；

[б]—材料在試驗溫度（20℃）下的許用應力，137MPa；

[б]t—材料在設計溫度下的許用應力，137MPa。

5.2 耐壓試驗應力校核

由于水壓試驗采用的試驗壓力未大于GB 150.1-2011中4.6.2.2節所規定的值，無需進行應力校核。

5.3 泄漏試驗

水壓試驗合格后應進行氦氣檢漏試驗。氦氣檢漏時，系統的靈敏度至少為1×10-10/Pa·m3/s，泄漏率不得超過1×10-6/Pa·m3/s，輸出儀表及喇叭無信號發生即為合格，其試驗條件、驗收標準應符合GB150的相關要求。

6 結語

二回路過濾器是某反應堆高溫高壓試驗回路二回路系統的主要設備之一，本文根據相關使用要求及設計參數，對該過濾器進行了結構設計，并按相關規范對其強度進行了常規計算，相關設計思路及計算方法可為類似設備的設計提供參考。

結構分析表明，該過濾器的結構滿足設計要求，并兼具流阻小、結構簡單、安裝及檢修方便等特點；強度計算結果表明，該過濾器的設計尺寸滿足強度要求。