核電廠超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下熱交換器的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析方法

矯 明，張菲茜，賀寅彪，張麗艷，李 波，黃 慶

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

0 引言

在核電廠中，存在正常運(yùn)行工況、預(yù)計(jì)運(yùn)行工況、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故以及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故等。其中，超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故是指超過電廠及其安全系統(tǒng)包絡(luò)、事故后果比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故更為嚴(yán)重的事故工況[1]。例如，核電廠中不同設(shè)計(jì)壓力系統(tǒng)通過聯(lián)鎖裝置和泄壓閥相連，如果聯(lián)鎖裝置旁路以及泄壓閥不能及時(shí)打開，發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)部失水事故(ISLOCA)時(shí)，中低壓系統(tǒng)可能會(huì)與高壓系統(tǒng)相通，中壓系統(tǒng)將承受高壓系統(tǒng)的全壓，這對(duì)于中低壓系統(tǒng)的設(shè)備屬于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。但超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故發(fā)生概率極低，以三代核電站余熱排出熱交換器為例，其在60年的壽期內(nèi)，僅可能發(fā)生一次超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。發(fā)生超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，余熱排出熱交換器管側(cè)需承受2.5倍的設(shè)計(jì)壓力，此時(shí)，設(shè)備無需滿足換熱功能要求，管側(cè)允許產(chǎn)生局部變形，但不允許破裂或泄漏。此外，該設(shè)備屬于大型核級(jí)熱交換器，若對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故采用保守的設(shè)計(jì)，將顯著增大法蘭及管板尺寸，極大增加制造成本和布置難度。根據(jù)核電廠縱深防御理論，本文以超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下密封和邊界完整性要求為導(dǎo)向，提出密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)定方法，以確保核級(jí)熱交換器的安全性。

1 設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)介紹

余熱排出熱交換器是三代核電站正常余熱排出系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，用于核電站正常停堆或事故后堆芯、反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)和乏燃料池等系統(tǒng)和設(shè)備的冷卻[2-4]。在核電廠冷停堆的第一階段，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳遞給主蒸汽系統(tǒng)。在核電廠冷停堆的第二階段，余熱排出系統(tǒng)通過帶出堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中的余熱和顯熱來降低反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的溫度。對(duì)于冷停堆后的核電廠，從停堆到核電廠再啟動(dòng)期間，余熱排出系統(tǒng)帶出堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的熱量。

該熱交換器為立式U形管換熱器，為便于在役檢修，其管箱-管束-殼體為可拆卸結(jié)構(gòu)，其中管箱法蘭和殼體法蘭通過螺栓墊片結(jié)構(gòu)與管板相連。反應(yīng)堆冷卻器流經(jīng)余熱排出熱交換器管側(cè)，設(shè)備冷卻水流經(jīng)余熱排出熱交換器殼側(cè)，其設(shè)計(jì)壽命為60 a，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 余熱排出熱交換器設(shè)計(jì)參數(shù)

較以往核電站的大型熱交換器，余熱排出熱交換器的安全性和功能要求有顯著提高，其設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 余熱排出熱交換器結(jié)構(gòu)示意

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

余熱排出熱交換器的管程法蘭、殼程法蘭與管板的連接采用螺栓-法蘭-纏繞墊片連接結(jié)構(gòu)。對(duì)于該密封結(jié)構(gòu)，墊片位于法蘭和管板之間，并通過拉伸螺栓提供預(yù)緊力。在預(yù)緊力和操作壓力作用下，若墊片能夠保持滿足密封要求的壓縮態(tài)，則能保證密封。圖2示出常規(guī)的螺栓-法蘭密封結(jié)構(gòu)，纏繞墊片兩側(cè)的金屬互相不接觸，該結(jié)構(gòu)是應(yīng)用較為廣泛的密封結(jié)構(gòu)，在引入超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故之前，該結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 螺栓-法蘭-墊片常規(guī)密封形式

在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，由于管側(cè)承受較大的瞬時(shí)壓力，需對(duì)所設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)?？紤]到有限元分析方法能夠建立1∶1三維模型，比傳統(tǒng)的Waters法能夠更加細(xì)致地模擬計(jì)算密封區(qū)域的變形量以及應(yīng)力分布，且在核電領(lǐng)域，許多研究者通過有限元方法分析密封面的變形，作為判斷密封性能的依據(jù)[5-6]。因此，本文采用有限元方法進(jìn)行密封性能預(yù)測(cè)，利用結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性[7]，將管板多孔區(qū)等效成當(dāng)量實(shí)心板，三維有限元模型如圖3所示，密封處的有限元模型如圖4所示。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，所施加的載荷包括殼側(cè)壓力、管側(cè)壓力、傳熱管脹接段內(nèi)部壓力、上筒體截面等效拉應(yīng)力和螺栓預(yù)緊力。由于其他載荷(如設(shè)備及介質(zhì)自重)對(duì)應(yīng)力分析結(jié)果影響很小，故不考慮。

圖3 有限元分析模型

圖4 密封結(jié)構(gòu)的有限元模型

定義相對(duì)分離量d為墊片所在空腔的上表面(管板表面)及下表面(法蘭表面)軸向位移的相對(duì)值。有效回彈量定義如圖5所示。圖中，Y0為達(dá)到初始密封狀態(tài)時(shí)，墊片所需的壓緊載荷；Y1為從壓縮狀態(tài)e2處減壓，到密封失效時(shí)，墊片上的壓緊載荷；Y2為保持密封，對(duì)應(yīng)于壓縮狀態(tài)e2時(shí)，墊片所需的壓緊載荷；e0為達(dá)到初始密封狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)墊片的壓縮量；e1為從壓縮狀態(tài)e2處減壓，到密封失效時(shí)，對(duì)應(yīng)墊片的壓縮量；e′1為減壓到零時(shí)，對(duì)應(yīng)墊片永久變型量；e2為保持密封狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)墊片的最佳壓縮量;ec為保持密封狀態(tài)的極限壓縮量。e2-e1為墊片的有效回彈量；e2-e′1為墊片的總回彈量,因此，當(dāng)相對(duì)分離量較墊片有效回彈量大時(shí)，判斷密封失效，即設(shè)備密封的使用限制為相對(duì)分離量d應(yīng)小于對(duì)應(yīng)墊片能夠保證密封的有效回彈量(e2-e1)。

圖5 墊片密封特性曲線

圖6示出常規(guī)密封結(jié)構(gòu)在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的分析結(jié)果。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)將預(yù)緊力提高到超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故所需值，并施加超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故壓力，管側(cè)法蘭頸部幾乎全部屈服，且管側(cè)密封面相對(duì)位移遠(yuǎn)大于墊片的有效回彈量，由于纏繞墊片的有效回彈量不足，該結(jié)構(gòu)在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的密封特性難以保證。

(a)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故瞬態(tài)下密封結(jié)構(gòu)的整體受力

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化。

(1)施加預(yù)緊力時(shí)，使法蘭表面與管板表面接觸，如圖7所示。配合設(shè)計(jì)合理的墊片槽，既能保證墊片處于壓緊狀態(tài)，同時(shí)也能保證過大的預(yù)緊力不會(huì)作用在墊片上，而是傳遞到相接觸的金屬平面上。但設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注墊片槽的設(shè)計(jì)及密封墊的選取，保證金屬面接觸時(shí)，墊片處于良好的壓縮狀態(tài)。

圖7 螺栓-法蘭-墊片改進(jìn)連接形式

(2)在管板上設(shè)計(jì)傾角為β的楔形結(jié)構(gòu)。在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，法蘭和管板發(fā)生變形，密封表面發(fā)生分離(如圖8所示)，首先接觸的支點(diǎn)P位于法蘭外緣，L為P點(diǎn)至墊片的距離，α為墊片位置的分離角，墊片槽位置的分離間隙為Lsinα，在管板上加工一個(gè)傾角為β的楔形結(jié)構(gòu)(如圖9所示)后，首先接觸的支點(diǎn)P位置由法蘭外緣向內(nèi)移動(dòng)，降低了L的距離，從而使分離間隙Lsinα降低。若根據(jù)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下管板及管側(cè)法蘭彎曲變形來確定β，發(fā)生變形時(shí)，使P點(diǎn)以外的管板與法蘭表面相接觸，從而使受力更加均勻。

圖8 P點(diǎn)位于法蘭外緣時(shí)的變形結(jié)構(gòu)示意

圖9 帶楔角的密封結(jié)構(gòu)示意

(3)采用C形密封環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的纏繞墊片。C形環(huán)利用其密封層和螺旋彈簧的共同作用，提高了墊片的回彈性和密封性[8-10]。

通過上述優(yōu)化，根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，在低于傳統(tǒng)的纏繞墊片所需的預(yù)緊力時(shí)，超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下余熱排出熱交換器相對(duì)分離量低于C形環(huán)的有效回彈量，滿足密封要求。

表2 密封性能評(píng)定

3 核承壓設(shè)備超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

在核電廠，余熱排出熱交換器屬于核三級(jí)設(shè)備，超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故屬于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況。ASME B&PVC第Ⅲ卷并沒有針對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及密封性能的評(píng)定準(zhǔn)則，因此無法直接根據(jù)ASME B&PVC第Ⅲ卷的條款進(jìn)行評(píng)定。同時(shí)，設(shè)備在超設(shè)計(jì)工況的要求與ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NCA分卷中的D級(jí)使用限制基本一致。

對(duì)于密封結(jié)構(gòu)中的連接螺栓(連接管箱法蘭、管板和筒體法蘭的主螺栓)和管板，考慮到適應(yīng)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和不增加設(shè)計(jì)工況所確定的法蘭尺寸，為此提高其設(shè)計(jì)等級(jí)，制造和檢測(cè)過程滿足ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NB分卷的要求。

表3 超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下余熱排出熱交換器的應(yīng)力限制

圖10 管箱筒體、管箱封頭和裙座第一主應(yīng)力云圖

為此，本文分別根據(jù)ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NB-3230和NB-3220，對(duì)主螺栓和管板進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定；根據(jù)ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)ND-3320，對(duì)該熱交換器除管板和主螺栓外的其他零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)定，選取總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm的限制值作為局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度PL的限制值。ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)ND分卷中未要求對(duì)局部一次薄膜主應(yīng)力σL單獨(dú)進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文選取總體一次薄膜主應(yīng)力σm的限制值作為σL的限制值。此外，本文采用ASME B&PVC第Ⅲ卷ND分卷和附錄F的D級(jí)使用限制評(píng)價(jià)方法，對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評(píng)定。各零部件的應(yīng)力限制見表3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，換熱器在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下各部件的應(yīng)力云圖見圖10～13。根據(jù)計(jì)算的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果，余熱排出熱交換器能夠保證結(jié)構(gòu)完整性。

圖11 管箱法蘭的第一主應(yīng)力云圖

圖12 殼側(cè)部件的第一主應(yīng)力云圖

圖13 螺栓的第一主應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

本文以第三代核電站余熱排出熱交換器為例，介紹了超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)力學(xué)分析評(píng)定，該結(jié)構(gòu)在承受2.5倍設(shè)計(jì)壓力的情況下，依然能保證良好的密封性能，避免了增厚管板、加大螺栓及法蘭和改變布置空間等設(shè)計(jì)方案，從而節(jié)約制造成本。此外，本文參照ASME規(guī)范的通用準(zhǔn)則，提出了超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)定準(zhǔn)則。本文提出的密封結(jié)構(gòu)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下的設(shè)計(jì)方案、分析方法及評(píng)定準(zhǔn)則，可為后續(xù)核電站換熱器解決超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故設(shè)計(jì)問題提供參考。