核電站用核級板式熱交換器的設(shè)計與制造*

金雪梅

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050 )

核電站用核級板式熱交換器的設(shè)計與制造*

金雪梅

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050 )

針對目前核電站用板式熱交換器大型化、高參數(shù)化及高可靠性、安全性的要求，以RCC-M 《壓水堆核電廠核電機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》為依據(jù) ，闡述了核電行業(yè)典型的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)核安全3級板式熱交換器的設(shè)計和制造要點(diǎn)，確保滿足核電標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求，并能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

板式熱交換器；核電站；設(shè)備冷卻水系統(tǒng)；RCC-M

Abstract: For the requirements of largescale, parameterization, reliability and safety of the plate heat exchanger for nuclear power plant, the key points of the design and manufacture of the plate heat exchanger for unclear power plant is elucidated, which is based on the typical plate heat exchanger for the cooling water system of nuclear security level 3 and the “design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands RCC-M”, it can be ensured to satisfy the design requirements，and operate stable and safety.

Key words: plate heat exchanger；nuclear power station; cooling water system; RCC-M

0 引 言

隨著核電行業(yè)的快速發(fā)展，核電站的裝機(jī)容量達(dá)到了1 250～1 750 MW。核電站設(shè)計逐步向大型化、高參數(shù)、高性能、大處理量及高可靠性、安全性方向發(fā)展，核電站用板式熱交換器雖為輔件，但卻有著非常重要的作用，因此，對核電站用核級板式熱交換器的設(shè)計與制造也應(yīng)提出更高的要求。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)通過板式熱交換器，是將核島的熱量傳遞到由重要廠用水系統(tǒng)(SEC)不斷提供的海水中，將熱量帶走，達(dá)到所要求的參數(shù)[1]。核電站用板式熱交換器的設(shè)計是根據(jù)給定的工藝設(shè)計條件，依據(jù)技術(shù)規(guī)格書中的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在確保安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)(剛)度、密封性的設(shè)計。設(shè)計中在滿足設(shè)備功能的同時還需綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，并在各環(huán)節(jié)依據(jù)質(zhì)量保證大綱設(shè)置相應(yīng)控制點(diǎn)，進(jìn)行檢查、試驗(yàn)并保存記錄或報告等，以便進(jìn)行有效控制。

1 核電站設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的描述[1]

核電站設(shè)備冷卻水系統(tǒng)具有冷卻功能而且還有隔離作用，是核島各熱交換器與海水之間的一道屏障，即可以避免放射性流體不可控的釋放到海水中而污染環(huán)境，又可以防止海水對各熱交換器的腐蝕。

核電站每個機(jī)組的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)由A系列和B系列組成。每個系列并列設(shè)置兩臺板式熱交換器，它們由同樣并列設(shè)置的兩臺泵提供水源。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式熱交換器(以下簡稱板式熱交換器)的一側(cè)接SEC系統(tǒng)，另一側(cè)接RRI系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)

2 技術(shù)特點(diǎn)

板式熱交換器有固、活壓緊板、板片、密封墊、上、下導(dǎo)桿、支柱、夾緊螺柱等零部件組成。核電站的設(shè)備根據(jù)其安全功能和安全重要性進(jìn)行分級，分為核1、2、3級和非核級，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式熱交換器屬核安全3級設(shè)備。根據(jù)安全等級確定其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為RCC—M 《壓水堆核電廠核電機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》。

由于系統(tǒng)的特殊要求，介質(zhì)的處理量較大，單側(cè)系統(tǒng)的總處理量達(dá)到了4 500 m3/h。因此，為了滿足核電廠設(shè)計的要求，板式熱交換器的進(jìn)、出口管徑設(shè)計到DN400～DN550mm。產(chǎn)品的外形尺寸(長×寬×高)約為4 000 mm×1 800 mm×3 800 mm。筆者曾為某核電站設(shè)計的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式熱交換器的介質(zhì)進(jìn)、出口管就是DN400，設(shè)備外形尺寸為3 800×1 800×3 800，設(shè)計參數(shù)如表1所列。

表1 設(shè)計參數(shù)

板式熱交換器的兩側(cè)的介質(zhì)分別為除鹽水和海水，因鈦板對海水有很好的抗腐蝕作用，所以板片材料選為鈦板。夾緊螺柱和導(dǎo)桿長度應(yīng)設(shè)計成能夠允許安裝20%的附加板片。為便于維護(hù)和進(jìn)行內(nèi)部清理，板式熱交換器海水側(cè)進(jìn)、出口對應(yīng)的活動壓緊板上，應(yīng)開設(shè)檢查孔。海水進(jìn)口管路上應(yīng)設(shè)置濾網(wǎng)，濾孔不大于3 mm。

3 材 料

按照核電設(shè)備的要求，設(shè)備冷卻水板式熱交換器的框架使用壽命為40年。由于設(shè)備工作環(huán)境比較潮濕，鹽霧濃度較高，所以在選擇框架材料時既要滿足設(shè)備的剛度、強(qiáng)度條件，也要充分考慮設(shè)備工作環(huán)境對框架的影響。傳熱板片是板式熱交換器的核心元件，冷、熱流體的換熱以板片為基礎(chǔ)，它在工作時承受兩側(cè)流體的壓力差，因此，板片既是傳熱元件又是承壓元件。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)熱交換器兩側(cè)介質(zhì)分別是除鹽水和海水，因此，與介質(zhì)直接接觸部位的材料應(yīng)為耐海水腐蝕的鈦板。

橡膠密封墊是板式熱交換器的另一個重要元件，對板式熱交換器的使用壽命有著重要的意義。如果這些墊片老化、失去應(yīng)有的彈性，就會導(dǎo)致熱交換器泄漏，不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，橡膠密封墊的選材應(yīng)符合相應(yīng)核電站的使用條件、氣候環(huán)境等的要求。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式熱交換器用橡膠密封墊一般選用NBR或EPDM。

4 設(shè) 計

4.1 主要規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

HAD003/06核電廠設(shè)計中的質(zhì)量保證；RCC-M 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則(2000年及2002補(bǔ)遺)；RCC-P壓水堆核電站系統(tǒng)設(shè)計和建造規(guī)則 (1991年及1995年版修訂)；ASME B16.5 管法蘭和法蘭管件；NB/T 47004-2009 板式熱交換器。

4.2 設(shè)計計算[2-3]

板式熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計需根據(jù)RCC-M 規(guī)范及NB/T 47004-2009標(biāo)準(zhǔn)，對壓緊板、上導(dǎo)桿、夾緊螺柱等進(jìn)行強(qiáng)度校核計算。

(1) 壓緊板厚度計算 目前，核級板式熱交換器依據(jù)RCC-M D3300 非圓形盲板法蘭的計算公式進(jìn)行計算，同時考慮了平板開孔對壓緊板剛性削弱的影響。筆者按此方法設(shè)計的板式熱交換器，進(jìn)行了抗震應(yīng)力分析計算，能夠滿足核電站各個工況的要求，現(xiàn)已成功的應(yīng)用在了許多核電項(xiàng)目上。計算公式如下：

式中：C為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；d為接觸點(diǎn)之間的最小距離，mm；L為螺栓孔中心的連線周長，mm；hg為墊片力臂，mm；P為設(shè)計壓力，MPa；S為材料許用應(yīng)力，MPa；K為修正系數(shù)；t為平封頭所需的最小厚度，不包括腐蝕裕量，mm；HC為螺栓總載荷，由夾緊螺柱計算而得，MPa。

按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，式中結(jié)構(gòu)特征系數(shù)C取0.3，修正系數(shù)K取1，結(jié)合其它已知參數(shù)，由上式即可求得最小壁厚t值。

(2) 上導(dǎo)桿、夾緊螺柱的計算 板式熱交換器上導(dǎo)桿、夾緊螺柱的計算，依據(jù)NB/T47004-2009標(biāo)準(zhǔn)釋義進(jìn)行。

因設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式熱交換器安全等級為核安全3級，抗震類別1F，因此還應(yīng)進(jìn)行抗震應(yīng)力分析計算與應(yīng)力評定。計算載荷和規(guī)范：抗震應(yīng)力分析計算所考慮的載荷參數(shù)包括設(shè)備充水重量、設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、接管載荷、地震載荷。板殼型構(gòu)件的應(yīng)力評定限制按照RCC-M C3300 ，應(yīng)力限制如表2所列。

表2 應(yīng)力限制

表2所列中：σm為總體薄膜應(yīng)力；σl為局部薄膜應(yīng)力；σb為一次彎曲薄膜應(yīng)力；S為材料的許用應(yīng)力。

(3) 線性支撐件的應(yīng)力評定限制，根據(jù)RCC-M H3330的要求進(jìn)行彈性分析。線性構(gòu)件的應(yīng)力限制準(zhǔn)則與構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、長徑比有關(guān)，計算時應(yīng)依據(jù)規(guī)范選擇合適的計算公式。

(4) 支撐螺栓的應(yīng)力評定限制，根據(jù)RCC-M ZVI 2461 ,對于鐵素體鋼螺栓的應(yīng)力限制如下：

承受純拉伸的螺栓緊固件或螺紋零件中的平均應(yīng)力限制在Ftb值以內(nèi)：

Ftb=0.5Sμ

承受純剪切的螺栓緊固件或螺紋零件中的平均應(yīng)力限制在Fvb值以下：

同時承受拉伸和剪切聯(lián)合作用的合應(yīng)力應(yīng)滿足下屬方程式的要求：

式中：Sμ為工作溫度下的極限抗拉強(qiáng)度；ft為計算的拉應(yīng)力；fv為 計算的剪應(yīng)力；Ftb為工作溫度下的許用拉伸應(yīng)力；Fvb為工作溫度下的許用剪切應(yīng)力。

(5) 介質(zhì)進(jìn)、出口法蘭的計算 根據(jù)RCC-M 技術(shù)性附錄ZV300 ,對法蘭應(yīng)力的計算。當(dāng)法蘭遵守A1300中的標(biāo)準(zhǔn)之一，又如果(Ps+Peq)的值在設(shè)計溫度下不超過法蘭的允許壓力最大值，則不需要按照ZV300 的規(guī)定進(jìn)行法蘭校核，否則應(yīng)按照ZV300的規(guī)定進(jìn)行校核。其中(Ps+Peq)是在各工況下遇到的工作壓力Ps和等效壓力Peq組合的最大值?？紤]接管外載荷，等效壓力的計算公式如下：

式中：Fa為施加在螺栓連接件上的軸向力；Mf為施加在螺栓連接件上的彎曲力矩；Dj為 墊圈平均直徑。

(6) 法蘭的應(yīng)力限制 依據(jù)RCC-M ZV370,的規(guī)定，需對各工況下的應(yīng)力進(jìn)行校核，各工況的應(yīng)力限制見表3。

表3 各工況的應(yīng)力限制

式中：S為法蘭材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；SH為法蘭頸外表面的縱向應(yīng)力；SR為法蘭盤與法蘭頸交界處的縱向應(yīng)力；ST為法蘭盤與法蘭頸交界處的切向應(yīng)力。

5 制 造

核電站用核級板式熱交換器的制造不同于其它行業(yè)。核電行業(yè)要求板式熱交換器的使用壽命為40年，而且必須能夠保證長期穩(wěn)定運(yùn)行，每年需要的停運(yùn)維修次數(shù)不超過一次。所以，核級板式熱交換器的制造除了應(yīng)滿足已確認(rèn)的圖紙、工藝、規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求外，還必須對各個工序嚴(yán)加控制，每一序都應(yīng)有相應(yīng)的技術(shù)文件和檢驗(yàn)記錄。

(1) 板片的成型 板片必須一次成型，其成型精度直接關(guān)系到熱交換器的傳熱性能、密封以及使用效果。板片批量壓制前，應(yīng)按RCC-M F4000《成形和尺寸公差》的要求進(jìn)行工藝評定。成型后的板片，檢查員應(yīng)按照《評定指導(dǎo)書》的要求進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后再進(jìn)行批量壓制。板片壓制過程中應(yīng)制定詳細(xì)的檢驗(yàn)規(guī)范，并嚴(yán)格執(zhí)行，保證板片波紋尺寸和其它質(zhì)量參數(shù)完全滿足設(shè)計要求。

(2) 橡膠密封墊 由于對流層臭氧(地面臭氧或電頻產(chǎn)生的臭氧)會在橡膠制品受拉伸、擠壓的的條件下導(dǎo)致模具成型的橡膠制品產(chǎn)生裂紋，因此，板式熱交換器橡膠密封墊的原材料及制造過程必須加以嚴(yán)格控制。橡膠密封墊的制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收應(yīng)符合

NB/T47004-2009《板式熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)附錄A的規(guī)定。

(3) 裝配 核級板式熱交換器的外形尺寸(長×寬×高)達(dá)到了4 000 mm×1 800 mm×3 800 mm，屬于大型板式熱交換器。大型板式熱交換器的裝配很關(guān)鍵，在裝配過程中，應(yīng)控制細(xì)長桿件的直線度和零部件之間的裝配公差，保證整臺設(shè)備的垂直度、水平度滿足圖紙和工藝文件的要求。檢查員應(yīng)按工序要求進(jìn)行跟蹤和驗(yàn)收，并做好檢查記錄。

(4) 涂裝 核級板式熱交換器的碳鋼零部件表面應(yīng)進(jìn)行防腐處理。根據(jù)設(shè)備在核電廠中所處的區(qū)域不同，涂漆系統(tǒng)也不同，涂料的性質(zhì)也有不同。涂漆系統(tǒng)和涂裝要求應(yīng)符合RCC-M F5300的規(guī)定。

(5) 清潔度 清潔度的控制對核設(shè)備很重要。核級板式熱交換器的清潔度是應(yīng)符合RCC-M F6000的規(guī)定。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式熱交換器的清潔度等級為B級，要求的工作區(qū)為Ⅲ級。檢查員應(yīng)按清潔度等級的要求進(jìn)行檢查，確保各階段清潔度達(dá)到要求，并進(jìn)行記錄。

6 試 驗(yàn)

核級板式熱交換器的試驗(yàn)有水壓試驗(yàn)和氦氣密封性試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)應(yīng)在氦氣密封性試驗(yàn)前進(jìn)行。每臺板式熱交換器制成后必須逐臺進(jìn)行試驗(yàn)[3]，主要是為了驗(yàn)證板式熱交換器在試驗(yàn)條件下的強(qiáng)度、剛度和密封性能。

筆者設(shè)計的核級板式熱交換器的單側(cè)水壓試驗(yàn)壓力為1.8 MPa，試驗(yàn)壓力是設(shè)計壓力的1.5倍，每側(cè)試驗(yàn)持續(xù)1 h，兩側(cè)均一次合格。氦氣密封性試驗(yàn)時，兩側(cè)的泄漏值遠(yuǎn)低于要求的標(biāo)準(zhǔn)值，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

在試驗(yàn)過程中，操作工應(yīng)嚴(yán)格按工藝規(guī)程執(zhí)行。試驗(yàn)中用到的儀器儀表、測量器具、檢測設(shè)備等均應(yīng)在有效鑒定期內(nèi)，精度等級符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求。水壓試驗(yàn)的水質(zhì)很重要，在水壓試驗(yàn)前應(yīng)有符合清潔度要求的水質(zhì)報告，檢測值應(yīng)符合RCC-M F6000 附錄 Ⅲ 的相關(guān)規(guī)定。檢查員應(yīng)及時跟蹤，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

7 結(jié) 語

通過對核安全級板式熱交換器的設(shè)計、選材、制造、試驗(yàn)方面的嚴(yán)格要求，并嚴(yán)格控制在設(shè)計和制造過程中的質(zhì)量，提高核級板式熱交換器的整體質(zhì)量，以便更好的滿足核電站大型化、高參數(shù)、高性能、大處理量及高可靠性、安全性的要求，確保板式熱交換器能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心.900 MW 壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2004.

[2] 法國核島設(shè)備設(shè)計、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會.中科華核電技術(shù)研究院有限公司(譯). RCC-M 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則[M].上海：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2010.

[3] 國家能源局.NB/T 47004-2009 板式熱交換器[S].北京:新華出版社，2009.

Nuclear Safety Level Plate Heat Exchanger Design and Manufacture for Nuclear Power Station

JIN Xue-mei

(LanzhouLsHeatExchangeEquipmentCo.,Ltd，LanzhouGansu730050，China)

2014-06-16

金雪梅(1978-)，女，甘肅蘭州人，工程師，研究方向：可拆卸板式熱交換器的設(shè)計與研究。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0152-03