CAP核電機(jī)組高壓水過濾器殼體研制

孔海霞,景旭斌,李 源,卞向南,喬太飛,王 佳

(1.中國輻射防護(hù)研究院,太原 030006; 2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233)

放射性水過濾器是保障核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備之一,主要用來截留冷卻劑回路中的活化腐蝕產(chǎn)物、懸浮固體小顆粒以及破碎的離子交換樹脂,保持良好的水質(zhì)控制,從而降低堆芯外輻射場(chǎng)的放射性積累,減少工作人員輻射劑量[1-4]。隨著核電廠反應(yīng)堆運(yùn)行堆年的增加,該設(shè)備對(duì)維護(hù)反應(yīng)堆安全運(yùn)行和提高設(shè)施可利用率的重要性會(huì)更加突出。

在國家大力推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”的雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)指引下,作為低碳清潔能源的核電的發(fā)展,正在積極安全有序推進(jìn)。其中CAP系列核電機(jī)組為第三代核電技術(shù)中的革新型反應(yīng)堆,CAP1000是我國在引進(jìn)消化吸收美國西屋公司的AP1000的基礎(chǔ)上,形成的國產(chǎn)化機(jī)組,通過再創(chuàng)新和集成創(chuàng)新,我國繼續(xù)研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAP1400核電機(jī)組[5-6]。目前,國內(nèi)已商業(yè)運(yùn)行的AP1000機(jī)組有三門1/2號(hào)和海陽1/2號(hào)。2022年,國家批準(zhǔn)新建6臺(tái)CAP1000核電機(jī)組,分別為三門核電3/4號(hào)、海陽核電3/4號(hào)和廉江核電1/2號(hào)。以往AP/CAP系列核電機(jī)組放射性水處理用水過濾器都是依賴美國頗爾(Pall)公司采購,存在價(jià)格昂貴、供貨周期長、售后不及時(shí)等問題,造成核電機(jī)組的運(yùn)行成本增高,而且系統(tǒng)不可用風(fēng)險(xiǎn)增大,在機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行上容易出現(xiàn)被動(dòng)局面。因此,進(jìn)行CAP系列核電機(jī)組放射性水處理用水過濾器的國產(chǎn)化研制,解決核心技術(shù)和供貨受制于人的問題,保證核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,具有十分重要且迫切的意義。目前,CAP系列核電機(jī)組用水過濾器的核心部件濾芯已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,詳見文獻(xiàn)《AP/CAP 系列核電機(jī)組放射性水處理用水過濾器濾芯的研制》[7]。本文根據(jù)非核級(jí)高壓水過濾器的使用工況要求,進(jìn)行了殼體及功能部件的設(shè)計(jì)、力學(xué)性能分析、無損檢測(cè)以及水壓試驗(yàn),最終研制出安全可靠的國產(chǎn)高壓水過濾器殼體。

1 水過濾器概述

水過濾器主要由殼體和濾芯組成,工作原理為:含固體顆粒的放射性水,從殼體上部進(jìn)水口進(jìn)入到濾芯內(nèi)部,水中的微粒雜質(zhì)被過濾介質(zhì)截留,過濾后的水則透過介質(zhì)流出,從而實(shí)現(xiàn)液體和固體顆粒物的分離。隨著含固體顆粒水的不斷過濾,濾芯所截留的微粒雜質(zhì)越來越多,壓差不斷上升,當(dāng)達(dá)到設(shè)定值后,就需要更換濾芯。采用內(nèi)進(jìn)外出型流道,不僅可以保證濾芯捕集到更多的帶有放射性的微粒雜質(zhì),同時(shí)在移出和處置廢棄的濾芯時(shí)盡可能減少帶有放射性的微粒雜質(zhì)的掉落損失。

核電機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)工況要求過濾器在任何時(shí)候都能在不需要任何準(zhǔn)備和處理的情況下,均具有使流體以最大壓力和全流量進(jìn)入的能力,并投入運(yùn)行。過濾器在處理放射性水時(shí),隨著濾芯所截留放射性顆粒的增多,過濾器的輻射劑量水平和污染水平逐步提高。因此,水過濾器安裝在帶有蓋板的箱型鋼屏蔽模塊中,設(shè)置在操作地面以下,與地面的鋼結(jié)構(gòu)連成一體[8],形成良好的輻射防護(hù)屏蔽,如圖1所示。

圖1 放射性水過濾器和剛模塊剖面示意圖

2 殼體主要設(shè)計(jì)參數(shù)

CAP核電機(jī)組設(shè)置有化容系統(tǒng)(CVS)、乏燃料池冷卻系統(tǒng)(SFS)、放射性廢液系統(tǒng)(WLS)和放射性廢固系統(tǒng)(WSS)共4個(gè)放射性水處理系統(tǒng),配套有8臺(tái)過濾器,其中CVS設(shè)置3個(gè)過濾器,均為高壓過濾器,廢濾芯為中放濾芯;SFS設(shè)置2個(gè)過濾器、WLS設(shè)置2個(gè)過濾器、WSS設(shè)置1個(gè)過濾器,這5個(gè)過濾器均為低壓過濾器,廢濾芯為低放濾芯。

水過濾器根據(jù)所執(zhí)行的功能及其重要程度,屬于非核級(jí),設(shè)備分級(jí)為D級(jí),核安全分級(jí)為NNS,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC-Ⅷ—2007,2008補(bǔ)遺《鍋爐和壓力容器規(guī)范 第Ⅷ卷:壓力容器建造規(guī)則 第1分冊(cè)》[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。CAP 核電機(jī)組所用的8臺(tái)過濾器根據(jù)所屬系統(tǒng)承壓不同,分為高壓過濾器和低壓過濾器,本文主要針對(duì)高壓水過濾器殼體,其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。低壓過濾器和高壓過濾器的結(jié)構(gòu)完全相同,僅設(shè)計(jì)壓力為1 MPa,可完全參照高壓過濾器的研制思路進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。

表1 CAP核電機(jī)組高壓水過濾器殼體主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 殼體的設(shè)計(jì)

非核級(jí)高壓水過濾器殼體示意圖和外形圖如圖2所示,包括筒體、接管、法蘭蓋組件、螺栓、濾芯保持架、壓緊組件、吊耳、支撐管等。殼體通過三根支撐管固定于圖1所示的屏蔽鋼模塊中。濾芯保持架的設(shè)計(jì)應(yīng)保證濾芯懸掛于殼體內(nèi)部,其四周及下部與殼體保持一定距離,工作時(shí)高壓水可以從濾芯四周均勻流出,從而使過濾流量達(dá)到最大,過濾性能達(dá)到最優(yōu)。此外,法蘭蓋上采用燕尾槽開槽方式來固定密封圈,這樣在過濾器維修和更換濾芯時(shí),密封圈可與法蘭蓋同時(shí)被移出,簡化放射性操作流程。筒體、底封頭、法蘭蓋、螺栓屬于承壓邊界,需滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC-Ⅷ的強(qiáng)度要求,因此本文主要對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 CAP核電機(jī)組高壓水過濾器殼體示意圖和外形圖

3.1 筒體設(shè)計(jì)

筒體采用整體式的無縫鋼管,材質(zhì)為SA-182M F304L。依據(jù)ASME BPVC-Ⅷ的A分卷 UG-27節(jié),殼體所需最小厚度計(jì)算公式為:

(1)

式中,t1為殼體所需最小厚度,mm;P為殼體設(shè)計(jì)壓力,MPa;R為殼體內(nèi)部半徑,設(shè)計(jì)值為108 mm;S為材料最大許用應(yīng)力,依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)取值為115 MPa;E為縱向焊接接頭系數(shù),根據(jù)筒體的無焊接特征,取值為1。

計(jì)算得到筒體最小厚度值為22.62 mm,考慮筒體材料60年的腐蝕余量,在ASME B36.10M《焊接和無縫軋制鋼管》[10]中選取壁厚為28.58 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼管。

3.2 底封頭設(shè)計(jì)

底封頭采用材質(zhì)為SA-182M F304L的不銹鋼棒料加工制作。因鋼制屏蔽容器模塊為方形,為與其結(jié)構(gòu)相匹配,底封頭底部也為方形。依據(jù)ASME BPVC-Ⅷ的A分卷 UG-34節(jié),底封頭的最小厚度計(jì)算公式為:

(2)

式中,t2為底封頭的最小厚度,mm;d為殼體內(nèi)部直徑,mm;C為與封頭連接方法、殼體尺寸等因素相關(guān)的無量綱系數(shù),計(jì)算值為0.261(根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)應(yīng)的封頭形式取值)。

計(jì)算得到底封頭最小厚度值為47.58 mm,考慮預(yù)留的腐蝕余量,實(shí)際取值50 mm。

3.3 螺栓設(shè)計(jì)

螺栓采用材質(zhì)為SA-540M Gr.B23 Cl.3的不銹鋼棒料加工制作,設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

a)螺栓連接接觸面的總壓緊載荷

Hp=2b×3.14GmP

(3)

式中,Hp為連接接觸面的總壓緊載荷,N;b為O型密封圈基本密封寬度,mm;G為O型密封圈反力作用點(diǎn)直徑,234 mm;m為墊片系數(shù)。

計(jì)算得到螺栓連接接觸面的總壓緊載荷Hp為113.2 kN。

b)總流體靜壓端部力

H=0.785G2P

(4)

計(jì)算得到總流體靜壓端部力為919.8 kN。

c) 設(shè)計(jì)工況下螺栓所需的最小載荷

Wm1=H+Hp

(5)

計(jì)算得到設(shè)計(jì)工況下螺栓所需的最小載荷為1 033 kN。

d)O型圈壓緊工況下所需的最小螺栓載荷

Wm2=3.14bGy

(6)

式中,y為螺栓連接接觸面的單位壓緊載荷,MPa。

計(jì)算得到O型圈壓緊工況下所需的最小螺栓載荷為3.7 kN。

e)運(yùn)行工況下螺栓螺紋根部或承受應(yīng)力最小直徑斷面的總橫截面積

(7)

式中,Sb為設(shè)計(jì)溫度下螺栓許用應(yīng)力,MPa。

計(jì)算得到運(yùn)行工況下螺栓螺紋根部或承受應(yīng)力最小直徑斷面的總橫截面積為5 165 mm2。

f)O型圈壓緊情況下螺栓螺紋根部或承受應(yīng)力最小直徑斷面的總橫截面積

(8)

式中,Sa為常溫下螺栓許用應(yīng)力,MPa。

計(jì)算得到O型圈壓緊情況下螺栓螺紋根部或承受應(yīng)力最小直徑斷面的總橫截面積為18.5 mm2。

由上面的一系列計(jì)算得出Am1>Am2,所以螺栓所需的總橫截面積Am取Am1的值,為5 165 mm2。標(biāo)準(zhǔn)的M42單個(gè)螺栓的斷面面積Ab為1 082.2 mm2。為了保證螺栓總的斷面面積大于其所需的總橫截面積5 165 mm2,至少應(yīng)選用5個(gè)以上數(shù)量的M42螺栓。在進(jìn)行螺栓擰緊時(shí),為避免頂蓋受力不均,一般采用按順序擰緊對(duì)稱方位螺栓的方式進(jìn)行操作,故應(yīng)采用偶數(shù)個(gè)數(shù)的螺栓,同時(shí)考慮到提高密封圈受力的均勻性和螺栓壓緊的安全性,最終設(shè)計(jì)使用8個(gè)M42螺栓。

3.4 法蘭蓋設(shè)計(jì)

法蘭蓋采用材質(zhì)為SA-182M F304L的不銹鋼板材加工制作。

依據(jù)UG-34節(jié),法蘭蓋的最小厚度計(jì)算公式為:

(9)

式中,t3為法蘭蓋的最小厚度,mm;d為法蘭盤直徑,mm;C為與封頭連接方法、殼體尺寸等因素相關(guān)的無量綱系數(shù),依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)取值0.30;Pf為法蘭蓋不同狀態(tài)下的承受壓力,MPa;W為螺栓不同狀態(tài)下的載荷,N;hG為墊片力矩臂,mm。

當(dāng)法蘭蓋處于操作狀態(tài)時(shí),此時(shí)法蘭蓋承受壓力P為21.4 MPa,螺栓總載荷W等于設(shè)計(jì)工況所需的最小螺栓載荷Wm1,為1 033 kN,計(jì)算得到法蘭蓋在操作狀態(tài)下的最小厚度為80.98 mm。當(dāng)法蘭蓋處于預(yù)緊狀態(tài)時(shí),此時(shí)法蘭蓋承受壓力P為0 MPa,螺栓總載荷W=(Am+Ab)S/2,為359 kN,計(jì)算得到法蘭蓋在預(yù)緊狀態(tài)下的最小厚度為34.9 mm。法蘭蓋需要為密封圈提供內(nèi)凹的安裝槽,綜合考慮法蘭蓋的最小厚度取值為89 mm。

4 殼體力學(xué)性能

4.1 有限元模型

所設(shè)計(jì)的高壓過濾器殼體的主要應(yīng)力、應(yīng)變區(qū)域集中在進(jìn)出水管嘴和支撐管與筒體連接的角焊縫處,因此本文首先采用有限元分析軟件ANSYS 14.0建立這幾處的有限元模型,然后進(jìn)行力學(xué)性能分析[11]。

依據(jù)水過濾器殼體的設(shè)計(jì)圖,建立高壓過濾器殼體管嘴的二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)分析模型,采用8節(jié)點(diǎn)單元PLANE83進(jìn)行劃分,對(duì)承壓部件(N1和N2管嘴區(qū)域)進(jìn)行應(yīng)力分析與評(píng)定,如圖3中的a圖所示。計(jì)算中,管嘴的二維軸對(duì)稱模型將筒體部分等效為球體,并從保守角度模擬筒體端部的壓力載荷,將筒體半徑增大到原半徑的1.5倍。建立高壓過濾器殼體的三維結(jié)構(gòu)分析模型,進(jìn)行支撐管及其與筒體連接的角焊縫的應(yīng)力分析與評(píng)定,如圖3中的b圖所示。該模型中,筒體、法蘭和底封頭采用SHELL181單元進(jìn)行劃分,實(shí)常數(shù)設(shè)置取各自厚度;對(duì)接管采用PIPE288進(jìn)行劃分,根據(jù)其管徑尺寸設(shè)置截面屬性;支撐管采用BEAM188進(jìn)行劃分,根據(jù)其截面尺寸設(shè)置單元截面屬性,且與機(jī)械模塊的重合段需考慮機(jī)械模塊的剛度。

圖3 高壓水過濾器殼體的有限元模型

4.2 加載和約束邊界條件

殼體進(jìn)行有限元力學(xué)性能分析時(shí)考慮的載荷包括自重、內(nèi)壓、接管載荷和地震載荷。其中非核級(jí)高壓水過濾器抗震等級(jí)為Ⅱ類,所承受的地震載荷為水平方向1.4g和豎直方向2.0g(g為重力加速度)。

管嘴的二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)分析模型中,內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷,在接管段施加接管載荷,模型的約束位置位于筒體下部邊緣,如圖4的a圖所示。支撐管及其與筒體連接角焊縫的三維結(jié)構(gòu)分析模型中,參考二維模型計(jì)算得到的最大接管載荷,在N1、N2和N3管嘴位置處加載接管載荷,對(duì)整體模型施加地震加速度,模型的約束位于支撐管末端,采用固定約束,如圖4的b圖所示。

圖4 結(jié)構(gòu)分析模型的加載和約束邊界條件

4.3 應(yīng)力評(píng)定分析

在管嘴二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)分析模型上,對(duì)各承壓部件施加設(shè)計(jì)壓力載荷和外部機(jī)械載荷,進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。因?yàn)锳SME BPVC-Ⅷ的 AD分卷和ASME BPVC-Ⅲ[12]的NC分卷都沒有明確要求承壓部件一次應(yīng)力強(qiáng)度的評(píng)定分類,本文參考ASME BPVC-Ⅲ的NB-3227.5,在各載荷工況下,由內(nèi)壓及外部機(jī)械載荷導(dǎo)致的一次應(yīng)力的分類根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)外(本文的加厚管嘴區(qū)域)的不同劃分為三個(gè)區(qū)域,如圖5所示。對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)區(qū)以外的評(píng)定截面ASN1采用Pm(總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度)和Pm+Pb(一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度)類應(yīng)力限制;對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)區(qū)以內(nèi)的評(píng)定截面ASN2采用PL(局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度)類應(yīng)力限制;對(duì)于筒體評(píng)定截面ASN3考慮評(píng)定結(jié)果需要包絡(luò)筒體其他位置,保守采用Pm類應(yīng)力限制。管嘴的一次應(yīng)力云圖如圖6所示,顯示了各種結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況,并在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和外部機(jī)械載荷求解得到各種評(píng)定應(yīng)力,且與相應(yīng)應(yīng)力限值的比值均小于1,完全滿足結(jié)構(gòu)完整性要求。

圖5 管嘴部分應(yīng)力評(píng)定區(qū)域劃分

圖6 管嘴的一次應(yīng)力云圖(MPa)

4.4 模態(tài)分析

對(duì)殼體三維結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行模態(tài)分析,得到固有頻率和結(jié)構(gòu)振型。圖7為殼體的前5階固有頻率振型圖,主要變形為彎曲變形。其1階固有頻率大于33 Hz,滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)頻率的要求。

圖7 高壓水過濾器殼體模態(tài)分析振型圖

5 殼體性能檢測(cè)

5.1 無損檢測(cè)

根據(jù)ASME BPVC-Ⅷ-V的要求對(duì)過濾器殼體成品進(jìn)行無損檢測(cè),所有焊接接頭均進(jìn)行100%射線檢測(cè)和100%滲透檢測(cè)。設(shè)備焊接完成后,首先進(jìn)行焊縫外觀表面檢查,不得有氣孔、夾渣、裂紋,焊縫余高應(yīng)在要求范圍。然后再進(jìn)行焊縫探傷,若焊縫有缺陷,需返工重新焊接,必須滿足要求。經(jīng)檢測(cè),研制殼體所有焊縫及焊接坡口均合格。

5.2 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)在過濾器殼體本體全部組裝完成,所有受壓部件的焊接和熱處理完畢,無損探傷機(jī)有關(guān)檢查項(xiàng)目均合格后進(jìn)行。過濾器殼體法蘭蓋和筒體裝配時(shí),螺栓扭矩值約為1 000 N·m,采用對(duì)角方式擰緊螺栓,至少分三次操作達(dá)到全部扭矩值,且初次扭矩值不超過50%,第二次不超過80%。

水壓試驗(yàn)按照 ASME BPVC-Ⅷ的要求進(jìn)行。將殼體的出水口用加工的配套堵頭進(jìn)行封堵,排氣管連接壓力表,進(jìn)水口連接打壓泵對(duì)殼體進(jìn)行打壓,壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的1.25倍后,至少保壓4小時(shí),研制殼體焊接處無泄漏和滲漏,無可見的異常變形,檢測(cè)時(shí)無異常響聲,檢測(cè)結(jié)果為合格。殼體水壓試驗(yàn)圖及保壓過程如圖8所示。

圖8 高壓水過濾器殼體水壓試驗(yàn)

6 結(jié)論

按照標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC-Ⅷ—2007, 2008補(bǔ)遺《鍋爐和壓力容器規(guī)范 第Ⅷ卷:壓力容器建造規(guī)則 第1分冊(cè)》的要求,進(jìn)行了CAP核電機(jī)組非核級(jí)高壓水過濾器殼體的設(shè)計(jì),并采用有限元分析軟件ANSYS 14.0進(jìn)行了承壓部件、支撐管及其與筒體連接的角焊縫的應(yīng)力分析,以及殼體成品的無損檢測(cè)和水壓試驗(yàn),結(jié)果表明所設(shè)計(jì)制造的殼體結(jié)構(gòu)合理,性能安全可靠,完全滿足CAP核電機(jī)組非核級(jí)高壓水過濾器殼體的使用要求。