主回路熱交換器結構優(yōu)化設計

殷保穩(wěn) 郭志家 韓海芬

摘? ?要：HTHP瞬態(tài)綜合試驗回路作為CARR堆的應用研究平臺之一，主要是為了提升CARR堆的科研應用能力，以滿足核燃料和核材料的堆內輻照試驗要求。本文根據相關規(guī)范和標準及結構要求設計出一套滿足主回路工藝系統(tǒng)要求的關鍵設備—主回路熱交換器，論文介紹了主回路熱交換器的類型和用途，通過結構優(yōu)化設計和強度核算，結果表明，設計的套管式換熱器滿足換熱和相關設計標準的要求，具有結構簡單、安全可靠、制造、安裝、清洗和維修方便和經濟性好等優(yōu)點。

關鍵詞：主回路熱交換器? 結構優(yōu)化設計? 強度核算

中圖分類號：TK172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0022-02

1? 引言

主回路系統(tǒng)是HTHP瞬態(tài)綜合試驗回路的一個重要系統(tǒng)，主回路熱交換器作為主回路系統(tǒng)的重要非標設備，在正常運行工況下，將燃料棒束產生的熱量傳給二回路冷卻水;通過調節(jié)流經主回路熱交換器主回路冷卻劑流量和二回路冷卻水流量實現主回路冷卻劑出口溫度的調節(jié)，使主回路運行參數控制在要求范圍內。本文設計了一套用于主回路系統(tǒng)中的并聯(lián)套管式換熱器。

2? 設計標準規(guī)范及設計原則

2.1 設計標準規(guī)范

（1）NB/T 20003-2010《核電廠核島機械設備無損檢測》。

（2）EJ/T564-2006《核電廠物項包裝、運輸、裝卸、接收、貯存和維護要求》。

（3）EJ/T1027-1996《壓水堆核電廠核島機械設備制造規(guī)范》。

（4）EJ/T1041-1996《壓水堆核電廠核島機械設備在役檢查規(guī)則》。

（5）TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》。

（6）GB 150-2011《壓力容器》。

（7）GB /T151-2014《管殼式換熱器》。

（8）GB/T97.1-2002《平墊圈A級》。

（9）GB/T9112-2000《鋼制管法蘭類型與參數》。

（10）GB/T14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》。

（11）NB/T47010-2010《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》。

（12）NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》。

（13）NB/T47013-2015《承壓設備無損檢測》。

（14）NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》。

（15）NB/T47016-2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》。

（16）NB/T47018-2011《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》。

（17）GB13296-2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》。

（18）NB/T47019-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術條件》。

（19）GB/T2102《鋼管的驗收、包裝、標志及質量證明書》。

（20）GB24511-2009《承壓設備用不銹鋼鋼板和鋼帶》。

（21）GB/T9115-2010《對焊鋼制管法蘭》。

（22）RCC-M 2000+2002年補遺《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》。

2.2 設計原則

安全可靠，按設計規(guī)范及標準進行設計;結構簡單合理;材料的規(guī)格和質量應符合國家標準。

2.3 設備等級劃分

設備為核安全二級，SC-2;質保等級：QA1;抗震類別：I類。

3? 設備描述

主回路換熱器為立式套管式換熱器，其三維模型圖見圖1，由一次水聯(lián)箱組件、換熱腔組件、二次水進出口分配器組件及接管等零部件組成。換熱主體由若干個套管式換熱器并聯(lián)組成，溫度高的一次水經一次側入口聯(lián)箱分流后，流經各U形換熱管內，再經一次側出口聯(lián)箱流入一次側主管道系統(tǒng);二次冷卻水由二次側入口分配器經分流后，流經換熱管與套管環(huán)隙，再經二次側出口分配器流入二次側主管道系統(tǒng)。一次冷卻水和二次冷卻水的換熱方式為單管程單殼程完全逆流換熱。

4? 結構設計特點

通過結構設計，主要確定零部件及連接方式和根據熱工計算確定主要零部件的尺寸。

4.1 換熱腔組件

作為換熱主體，套管式換熱腔組件主要由換熱管、U形膨脹節(jié)和異徑三通等組成。一次水走換熱管內部，二次水走換熱管與套管環(huán)形通道，兩者完全逆流換熱。

換熱管符合GB13296-2007《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》及GB /T151-2014《管殼式換熱器》相關規(guī)定。內換熱管在滿足前述要求的前提下，還應滿足相關換熱管技術條件的規(guī)定。換熱管為整根無縫鋼管，采用整根彎制，不存在縱向焊縫和環(huán)向焊縫，以保證換熱器的強度滿足運行要求，其制造、檢驗與驗收按RCC-M 2000《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》的要求執(zhí)行。

采用U形膨脹節(jié)，作為一種能自由伸縮的彈性補償元件。它有工作可靠、性能良好、結構簡單、緊湊、制造容易等優(yōu)點。與外套管連接采用對接焊，膨脹節(jié)本身的環(huán)焊縫均采用全熔透結構，并進行100%的射線探傷。

設計的換熱腔組件在結構方面具有以下三個特點：（1）U形換熱管：采用整根彎制，U形彎頭自由伸縮實現完全熱補償，減少熱應力。（2）U形膨脹節(jié)：自由伸縮的撓性構件，利用其彈性實現部分熱補償，減少熱應力。（3）異徑三通：避免應力集中和外套管開孔焊接結構。

4.2 一次側聯(lián)箱組件

聯(lián)箱是主回路熱交換器的關鍵部件，一次側聯(lián)箱組件由封頭和聯(lián)箱兩個零件通過焊接組成。為保證進出口聯(lián)箱的強度和質量，為了防止泄露和提高密封性，聯(lián)箱采用整體鍛件結構，這種結構也有利于減小流體阻力。平蓋封頭結構簡單、制造方便，但厚度較大。換熱管與聯(lián)箱焊接連接，其質量應符合RCC-M 2000《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》第II卷材料篇及相關技術條件等的要求。

4.3 二次側分配器組件

二次側分配器組件優(yōu)先考慮封頭管箱，承壓能力強，主要由母管、堵頭、管接頭和法蘭等焊接而成，作為二次水進口均勻分流和出口匯流的空間，其在結構上有利于承壓介質均布。二次側分配器組件與換熱腔組件采用法蘭連接，這樣便于拆裝，有利于進行水壓試驗和泄露試驗等。

5? 強度核算

依據RCC-M 2000 +2002年補遺《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》的C3324相關章節(jié)，對換熱腔組件的換熱管厚度、換熱管彎管厚度、外套管最小厚度、二次水接管最小厚度，聯(lián)箱組件的聯(lián)箱最小厚度、聯(lián)箱封頭壁厚，二次側分配器組件的筒體最小厚度、圓形封頭最小厚度進行了核算，結果表明均滿足要求，開孔補強根據RCC-M 2002中C3332的規(guī)定，由于開孔直徑32mm≤50mm，所以不需要開孔補強。支撐滿足RCC-M中C3363 的要求。

6? 結語

（1）本文通過合理選取主回路換熱器型式，使其滿足設計功能性要求和換熱需求，設計的并聯(lián)套管式換熱器具有結構簡單、制造、安裝、清洗和維修方便、安全可靠及經濟性好等優(yōu)點。

（2）進行了結構設計和強度核算，設計的主回路熱交換器能夠滿足RCC-M 2000《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》等的要求。

參考文獻

[1] 周長江.管殼式換熱器的工藝設計[J].廣東化工，2017，44（20）：155-156.

[2] 王文凱.管殼式換熱器結構設計及其強度計算問題[J].化學工程與裝備，2018（9）：196-197，176.

[3] 馬鳳坤，劉凱，胡文舉，等.換熱器工藝及結構設計[J].鹽業(yè)與化工，2016，45（7）：35-39.

[4] 于巧玲.淺談壓力容器設計中的常見問題及對策[J].中國設備工程，2018（18）：90-92.

[5] 郭金回.管殼式換熱器設計中的振動分析[J].化工管理，2018（28）：136-138.

[6] 劉俊成.管殼式換熱器泄漏原因分析及改進設計思路[J].民營科技，2018（11）：68.