某反應(yīng)堆高溫高壓回路二回路過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)研究院 北京 102413)

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

其中，二回路系統(tǒng)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(xù)不斷的傳遞給三回路?；芈分械睦鋮s水由循環(huán)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(huán)泵的入口，完成二回路的循環(huán)過程。

由于二回路為采用去離子水的閉式循環(huán)回路，故需要通過設(shè)置過濾器將二回路中冷卻水的不溶性雜質(zhì)過濾掉，以防止其進(jìn)入工作介質(zhì)對循環(huán)泵和其它設(shè)備造成損傷。根據(jù)功能要求及設(shè)計參數(shù)對二回路過濾器進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范對其進(jìn)行強度校核，是完成二回路過濾器設(shè)計工作的主要內(nèi)容。

1 設(shè)計參數(shù)

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(tǒng)中冷卻劑的不溶性雜質(zhì)，以防止其進(jìn)入工作介質(zhì)對循環(huán)泵和其它設(shè)備造成損傷,其主要設(shè)計參數(shù)見表1所示。

2 結(jié)構(gòu)介紹

高溫高壓二回路系統(tǒng)過濾器設(shè)計為圓柱形容器，主要由連接法蘭、接頭組件、濾管組件、濾網(wǎng)、濾筒組件、卡箍及連接緊固件等結(jié)構(gòu)組成。其最大法蘭外徑為Φ220mm，總長約640mm，總重約46kg，全部材質(zhì)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(cè)通過法蘭進(jìn)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(jìn)入濾管內(nèi)部后再經(jīng)法蘭流出。濾管外壁包扎有兩層80目不銹鋼絲網(wǎng)，并通過3組卡箍分別用螺栓、螺母使不銹鋼絲網(wǎng)與濾管固定。二回路過濾器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)分析

在本二回路過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)、出水側(cè)設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)，減少流動了阻力；過濾管外壁采用兩層80目不銹鋼絲網(wǎng)包扎，并用卡箍通過螺栓、螺母固定以便鋼絲網(wǎng)堵塞時進(jìn)行更換；入口側(cè)流體流經(jīng)外套管與濾管間隙經(jīng)濾網(wǎng)后進(jìn)入濾管，最后通過法蘭流出，以利于鋼絲網(wǎng)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(tài)。

4 設(shè)計計算

本二回路過濾器的設(shè)計計算按照GB 150《壓力容器》[1]進(jìn)行常規(guī)計算與強度校核。

4.1 筒體直徑確定

根據(jù)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(nèi)徑為Φ107mm，壁厚為4mm，由容器的總?cè)莘e為0.004m3，計算得到筒體長度約為350mm。

4.2 焊接接頭系數(shù)

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(shù)φ＝1.0。

4.3 材料

過濾器有鍛件、棒材、板材，材質(zhì)為S30408。

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

4.4 筒體壁厚計算

容器設(shè)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(shè)計壓力，MPa；

Di—筒體內(nèi)徑，mm；

[б]t—設(shè)計溫度下筒體材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ—焊接接頭系數(shù)，取1.0；

C1—鋼材厚度負(fù)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(shè)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(shè)計參數(shù)

圖1 二回路過濾器結(jié)構(gòu)示意圖

4.5 筒體壁厚外壓校核

設(shè)備驗收合格后需進(jìn)行抽真空操作，然后充入惰性氣體，故須對容器進(jìn)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(yīng)變系數(shù)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(jù)GB 150 P103圖4-8，可得外壓應(yīng)力系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的DN50法蘭及PN1.6MPa標(biāo)準(zhǔn)的DN100法蘭；查《機械設(shè)計手冊》[2]選用六角螺栓M16×70及雙頭螺柱M16×110。由于采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭及螺栓，且使用工況滿足標(biāo)準(zhǔn)使用條件，故無需進(jìn)行強度計算。

5 壓力試驗

5.1 水壓試驗壓力確定

本設(shè)備采用水壓試驗，按照GB 150-2011中4.6.2.2節(jié)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(shè)計壓力，1.6MPa；

[б]—材料在試驗溫度（20℃）下的許用應(yīng)力，137MPa；

[б]t—材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，137MPa。

5.2 耐壓試驗應(yīng)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(jié)所規(guī)定的值，無需進(jìn)行應(yīng)力校核。

5.3 泄漏試驗

水壓試驗合格后應(yīng)進(jìn)行氦氣檢漏試驗。氦氣檢漏時，系統(tǒng)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(fā)生即為合格，其試驗條件、驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合GB150的相關(guān)要求。

6 結(jié)語

二回路過濾器是某反應(yīng)堆高溫高壓試驗回路二回路系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，本文根據(jù)相關(guān)使用要求及設(shè)計參數(shù)，對該過濾器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并按相關(guān)規(guī)范對其強度進(jìn)行了常規(guī)計算，相關(guān)設(shè)計思路及計算方法可為類似設(shè)備的設(shè)計提供參考。

結(jié)構(gòu)分析表明，該過濾器的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，并兼具流阻小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝及檢修方便等特點；強度計算結(jié)果表明，該過濾器的設(shè)計尺寸滿足強度要求。