主回路熱交換器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

殷保穩(wěn) 郭志家 韓海芬

摘? ?要：HTHP瞬態(tài)綜合試驗(yàn)回路作為CARR堆的應(yīng)用研究平臺(tái)之一，主要是為了提升CARR堆的科研應(yīng)用能力，以滿足核燃料和核材料的堆內(nèi)輻照試驗(yàn)要求。本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)出一套滿足主回路工藝系統(tǒng)要求的關(guān)鍵設(shè)備—主回路熱交換器，論文介紹了主回路熱交換器的類型和用途，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)度核算，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的套管式換熱器滿足換熱和相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、制造、安裝、清洗和維修方便和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：主回路熱交換器? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)? 強(qiáng)度核算

中圖分類號(hào)：TK172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（c）-0022-02

1? 引言

主回路系統(tǒng)是HTHP瞬態(tài)綜合試驗(yàn)回路的一個(gè)重要系統(tǒng)，主回路熱交換器作為主回路系統(tǒng)的重要非標(biāo)設(shè)備，在正常運(yùn)行工況下，將燃料棒束產(chǎn)生的熱量傳給二回路冷卻水;通過調(diào)節(jié)流經(jīng)主回路熱交換器主回路冷卻劑流量和二回路冷卻水流量實(shí)現(xiàn)主回路冷卻劑出口溫度的調(diào)節(jié)，使主回路運(yùn)行參數(shù)控制在要求范圍內(nèi)。本文設(shè)計(jì)了一套用于主回路系統(tǒng)中的并聯(lián)套管式換熱器。

2? 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計(jì)原則

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

（1）NB/T 20003-2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測》。

（2）EJ/T564-2006《核電廠物項(xiàng)包裝、運(yùn)輸、裝卸、接收、貯存和維護(hù)要求》。

（3）EJ/T1027-1996《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備制造規(guī)范》。

（4）EJ/T1041-1996《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》。

（5）TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》。

（6）GB 150-2011《壓力容器》。

（7）GB /T151-2014《管殼式換熱器》。

（8）GB/T97.1-2002《平墊圈A級(jí)》。

（9）GB/T9112-2000《鋼制管法蘭類型與參數(shù)》。

（10）GB/T14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》。

（11）NB/T47010-2010《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》。

（12）NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》。

（13）NB/T47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》。

（14）NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》。

（15）NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》。

（16）NB/T47018-2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》。

（17）GB13296-2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》。

（18）NB/T47019-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》。

（19）GB/T2102《鋼管的驗(yàn)收、包裝、標(biāo)志及質(zhì)量證明書》。

（20）GB24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板和鋼帶》。

（21）GB/T9115-2010《對(duì)焊鋼制管法蘭》。

（22）RCC-M 2000+2002年補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》。

2.2 設(shè)計(jì)原則

安全可靠，按設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)簡單合理;材料的規(guī)格和質(zhì)量應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 設(shè)備等級(jí)劃分

設(shè)備為核安全二級(jí)，SC-2;質(zhì)保等級(jí)：QA1;抗震類別：I類。

3? 設(shè)備描述

主回路換熱器為立式套管式換熱器，其三維模型圖見圖1，由一次水聯(lián)箱組件、換熱腔組件、二次水進(jìn)出口分配器組件及接管等零部件組成。換熱主體由若干個(gè)套管式換熱器并聯(lián)組成，溫度高的一次水經(jīng)一次側(cè)入口聯(lián)箱分流后，流經(jīng)各U形換熱管內(nèi)，再經(jīng)一次側(cè)出口聯(lián)箱流入一次側(cè)主管道系統(tǒng);二次冷卻水由二次側(cè)入口分配器經(jīng)分流后，流經(jīng)換熱管與套管環(huán)隙，再經(jīng)二次側(cè)出口分配器流入二次側(cè)主管道系統(tǒng)。一次冷卻水和二次冷卻水的換熱方式為單管程單殼程完全逆流換熱。

4? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要確定零部件及連接方式和根據(jù)熱工計(jì)算確定主要零部件的尺寸。

4.1 換熱腔組件

作為換熱主體，套管式換熱腔組件主要由換熱管、U形膨脹節(jié)和異徑三通等組成。一次水走換熱管內(nèi)部，二次水走換熱管與套管環(huán)形通道，兩者完全逆流換熱。

換熱管符合GB13296-2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》及GB /T151-2014《管殼式換熱器》相關(guān)規(guī)定。內(nèi)換熱管在滿足前述要求的前提下，還應(yīng)滿足相關(guān)換熱管技術(shù)條件的規(guī)定。換熱管為整根無縫鋼管，采用整根彎制，不存在縱向焊縫和環(huán)向焊縫，以保證換熱器的強(qiáng)度滿足運(yùn)行要求，其制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收按RCC-M 2000《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》的要求執(zhí)行。

采用U形膨脹節(jié)，作為一種能自由伸縮的彈性補(bǔ)償元件。它有工作可靠、性能良好、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造容易等優(yōu)點(diǎn)。與外套管連接采用對(duì)接焊，膨脹節(jié)本身的環(huán)焊縫均采用全熔透結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行100%的射線探傷。

設(shè)計(jì)的換熱腔組件在結(jié)構(gòu)方面具有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）U形換熱管：采用整根彎制，U形彎頭自由伸縮實(shí)現(xiàn)完全熱補(bǔ)償，減少熱應(yīng)力。（2）U形膨脹節(jié)：自由伸縮的撓性構(gòu)件，利用其彈性實(shí)現(xiàn)部分熱補(bǔ)償，減少熱應(yīng)力。（3）異徑三通：避免應(yīng)力集中和外套管開孔焊接結(jié)構(gòu)。

4.2 一次側(cè)聯(lián)箱組件

聯(lián)箱是主回路熱交換器的關(guān)鍵部件，一次側(cè)聯(lián)箱組件由封頭和聯(lián)箱兩個(gè)零件通過焊接組成。為保證進(jìn)出口聯(lián)箱的強(qiáng)度和質(zhì)量，為了防止泄露和提高密封性，聯(lián)箱采用整體鍛件結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也有利于減小流體阻力。平蓋封頭結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但厚度較大。換熱管與聯(lián)箱焊接連接，其質(zhì)量應(yīng)符合RCC-M 2000《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》第II卷材料篇及相關(guān)技術(shù)條件等的要求。

4.3 二次側(cè)分配器組件

二次側(cè)分配器組件優(yōu)先考慮封頭管箱，承壓能力強(qiáng)，主要由母管、堵頭、管接頭和法蘭等焊接而成，作為二次水進(jìn)口均勻分流和出口匯流的空間，其在結(jié)構(gòu)上有利于承壓介質(zhì)均布。二次側(cè)分配器組件與換熱腔組件采用法蘭連接，這樣便于拆裝，有利于進(jìn)行水壓試驗(yàn)和泄露試驗(yàn)等。

5? 強(qiáng)度核算

依據(jù)RCC-M 2000 +2002年補(bǔ)遺《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》的C3324相關(guān)章節(jié)，對(duì)換熱腔組件的換熱管厚度、換熱管彎管厚度、外套管最小厚度、二次水接管最小厚度，聯(lián)箱組件的聯(lián)箱最小厚度、聯(lián)箱封頭壁厚，二次側(cè)分配器組件的筒體最小厚度、圓形封頭最小厚度進(jìn)行了核算，結(jié)果表明均滿足要求，開孔補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)RCC-M 2002中C3332的規(guī)定，由于開孔直徑32mm≤50mm，所以不需要開孔補(bǔ)強(qiáng)。支撐滿足RCC-M中C3363 的要求。

6? 結(jié)語

（1）本文通過合理選取主回路換熱器型式，使其滿足設(shè)計(jì)功能性要求和換熱需求，設(shè)計(jì)的并聯(lián)套管式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、制造、安裝、清洗和維修方便、安全可靠及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。

（2）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度核算，設(shè)計(jì)的主回路熱交換器能夠滿足RCC-M 2000《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》等的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 周長江.管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)[J].廣東化工，2017，44（20）：155-156.

[2] 王文凱.管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度計(jì)算問題[J].化學(xué)工程與裝備，2018（9）：196-197，176.

[3] 馬鳳坤，劉凱，胡文舉，等.換熱器工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鹽業(yè)與化工，2016，45（7）：35-39.

[4] 于巧玲.淺談壓力容器設(shè)計(jì)中的常見問題及對(duì)策[J].中國設(shè)備工程，2018（18）：90-92.

[5] 郭金回.管殼式換熱器設(shè)計(jì)中的振動(dòng)分析[J].化工管理，2018（28）：136-138.

[6] 劉俊成.管殼式換熱器泄漏原因分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)思路[J].民營科技，2018（11）：68.