冷凝水冷卻器的設計及改進

曹雄

（上海交通大學)

0 引言

某冷凝水冷卻器是用于某核電站的一臺重要設備。該設備屬于間壁式換熱器中的管殼式換熱器，殼側設有冷卻水入口、冷卻水出口和排水口，管側設有冷凝水入口和冷凝水出口，設備底部由兩個鞍式支座支撐，通過4個M20螺紋螺柱安裝在工間內(nèi)。

該設備屬于核電站中的核三級設備，設備設計按RCC-M標準及相關適用標準執(zhí)行，不同于化工行業(yè)或其他行業(yè)的管殼式換熱設備。

本文介紹了該冷凝水冷卻器的功能及其結構特點；在對原有參考設備消化吸收的基礎上，對該冷凝水冷卻器的結構進行了改進，并對主要零部件的設計計算做了簡要分析。

1 結構介紹

該冷凝水冷卻器是管殼式換熱器中的U形管換熱器，換熱管被彎成U形，管的兩端固定在同一塊管板上，省去了一塊管板。因管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時，彼此間不受約束，故消除了溫差應力。該換熱器具有結構簡單、制造方便和高度的可靠性等特點[1-2]。

該冷凝水冷卻器的外形如圖1所示。

1.1 結構設計

1.1.1 管束分程

該設備在管側安置一塊分層隔板，形成雙管程以滿足工藝要求。因為管程數(shù)少于4，所以采用平行隔板，可避免流體溫差較大的兩部分管束緊鄰，減小管束與管板之間的溫差應力。

圖1 冷凝水冷卻器

1.1.2 殼程分程

該設備是單殼程換熱器，殼程中未設置縱向管板。殼程中設有冷卻水入口、冷卻水出口和排水口，其中冷卻水出、入口都在上端。

1.1.3 管子排列方式

管子在管板上的排列方式最常用的有四種，即正三角形排列、轉角正三角形排列、正方形排列和轉角正方形排列。該設備采用正三角形排列，正三角形排列方式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，其缺點是不易清洗。在考慮管子排列時，也考慮了管子間距P。P值應大于等于1.25倍的管子外徑d0，以保證脹管時管板的剛度。

管子排列如圖2所示。

圖2 管子排列

1.1.4 折流板與拉桿

折流板是殼程內(nèi)的主要元件，其作用是提高殼程流速、增強湍流、改善傳熱，在臥式換熱器中折流板還起著支承管束的作用。

常用的折流板形式有單弓形、雙弓形和三重弓形等。該換熱器選用的是單弓形折流板，采用拉桿和定距管等元件與管板固定，拉桿的一端用螺紋擰入管板，中間用定距管將折流板固定，最后一塊折流板用螺母鎖緊并點焊固定。

1.1.5 管板

管板是換熱器的重要部件之一，用來排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作用，避免冷、熱流體混合。

在該設備中，考慮到流體介質(zhì)具有腐蝕性，管板采用的是耐腐蝕性材料00Cr19Ni10，腐蝕裕量僅為0.1 mm。管板在承受換熱管作用力的同時，也承受螺栓力 （管板兼作法蘭），見圖3。

圖3 管子與管板的焊接

1.1.6 殼體與管板的連接

該設備殼體與管板的連接形式是不可拆式，殼體與管板采用焊接連接。焊接形式、焊接點與設備直徑的大小、殼體壁的厚薄以及管板的形式 （管板兼作法蘭）相關[2]。

1.1.7 管子與管板的連接

管子與管板的連接是換熱器設計中非常關鍵的一部分，其連接的好壞將直接影響設備的使用壽命和安全性。在該設備中，先將管子與管板進行焊接，然后再進行全深度液壓脹。脹接要求是管子不能伸出管板殼側表面，應限制在距離管板殼側表面2～5 mm范圍內(nèi)；傳熱管的脹接部分與非脹接部分應圓滑過渡，不應有急劇變化的棱角；脹接后管壁厚度減薄量控制在0.05～0.1 mm。最后還須進行無損檢測，以保證連接的質(zhì)量。

管子與管板的焊接如圖3所示。

2 設計改進

該換熱器是在對原有參考設備消化吸收的基礎上進行設計的，在保持總體結構形式基本相同的條件下，對部分部件進行了優(yōu)化改進，使之在結構上更加可靠。

2.1 防沖板

防沖板的作用是減少進口流體對換熱管的沖蝕，因此需要覆蓋進口流體通道面積，在消化吸收原參考設備圖紙過程中，針對這部分進行了改進，改進如下：

在原參考設備的圖紙上，防沖板被設置在殼側入口處下方，殼側入口管內(nèi)直徑為53.5 mm，而防沖板尺寸僅為52 mm×52 mm×10 mm，因此殼側入口的一部分流體將直接沖刷到換熱管上，這就導致了防沖板防沖蝕功能的減弱?？紤]到該設備中防沖板的左右兩邊被直接焊到定距管上 （見圖4），這樣未被防沖板覆蓋的定距管 （在防沖板左右兩側）有效地增加了防沖板的作用范圍，起到了與防沖板一樣的作用，其作用長度為80 mm。然而，防沖板并沒有有效實現(xiàn)防沖功能，因此對防沖板進行了尺寸上的改進。更改后的防沖板尺寸為80 mm×52 mm×10 mm，如圖5所示。這樣，就可使防沖板和定距管的防沖作用距離一致。

圖4 防沖板與定距管的焊接

2.2 法蘭

該設備法蘭設計按RCC-M標準執(zhí)行，在滿足相關要求的前提下，參照美國ASME第Ⅲ卷相應的標準要求進行改進優(yōu)化，使設備更加可靠。其改進內(nèi)容如下：

由于原參考設備圖紙中法蘭頸部的尺寸 （參見圖6）與ASME第Ⅲ卷附錄Ⅺ卷Ⅺ-3120-1中圖6(a)的規(guī)定有局部差異，法蘭頸g0段 (g0=12.7 mm)長度只有 10 mm，小于1.5g0(1.5g0=19.05 mm)，因此對這部分的設計進行了改進優(yōu)化。在不變動整體裝配尺寸的前提下，考慮對法蘭作適當變動 （參見圖7）。也就是說，將法蘭的形式向Ⅺ-3120-1中圖6的形式靠近， 使h(h=20 mm)大于1.5g0(1.5g0=19.05 mm)且頸部斜率小于1∶3，這樣法蘭這部分的設計就更加合理了。

圖5 防沖板與定距管結構的改進

圖6 原法蘭頸部尺寸

圖7 改進后的法蘭頸部尺寸

3 設備計算

3.1 設計準則

該設備為核級設備，其強度計算按RCC-M《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》規(guī)范執(zhí)行。核級材料許用應力按RCC-M ZⅢ300的規(guī)范執(zhí)行。

3.2 設備計算

設備計算是設備設計施工過程中非常重要的一部分，也是檢驗設備安全性的重要依據(jù)。

設備計算主要包括以下幾部分內(nèi)容：管、殼側筒體與封頭壁厚按3級部件D3000計算，部件只承受內(nèi)壓；殼體上接管部位，因滿足RCC-M殼體和封頭上不需補強的開孔要求 （公稱直徑小于或等于50 mm的孤立圓形開孔不需補強），所以無需進行補強計算。

管板厚度計算根據(jù)RCC-M D3000的規(guī)定，必須按照TEMA標準R7.1規(guī)定計算。該設備管板屬于固定式U形管管板，并且管板兼作法蘭。在管板兼作法蘭部分厚度計算校核時，采用了迭代計算方法，其計算流程如圖8所示。

圖8中，Tr為延長部分的最小厚度，T為管板有效厚度。

圖8 管板厚度的計算流程

4 總結

冷凝水冷卻器是一臺單殼程雙管程、殼體內(nèi)設置折流板、管側管箱內(nèi)焊有分程隔板的典型管殼式換熱器。在這臺設備設計過程中，對作為設計輸入的參考電站圖紙中存在的設備法蘭及防沖板結構不合理之處，根據(jù)適用的有關規(guī)范標準進行了修改，修改后的設備更加安全可靠。

[1] 聶清德.化工設備設計 [M].北京：化學工業(yè)出版社，1991.

[2] 唐淑萍.管殼式換熱器的結構設計 [J].化學工業(yè)與工程技術， 2002， 23 （5）： 39-41.