BPVC- III《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》設(shè)計規(guī)范,對核電站堆芯水箱窄量程液位變送器進行了新的設(shè)計與探討。" />

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液位變送器
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核電站堆芯水箱窄量程液位變送器承壓部件設(shè)計

  來源:美國西屋公司  作者:李惠力

 摘 要:目前核電站堆芯水箱供水監(jiān)測采用的液位變送器主要采用美國西屋公司的產(chǎn)品,其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均按照ASMEBPVC- III《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》I 級部件中的要求進行設(shè)計;美國西屋公司產(chǎn)品特點是體積大、抗震性能差;根據(jù)ASMEBPVC- III《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》設(shè)計規(guī)范,對核電站堆芯水箱窄量程液位變送器進行了新的設(shè)計與探討。nsq壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
引 言
美國西屋公司的堆芯水箱窄量程液位變送器 (如圖1),是用在核電站堆芯供水監(jiān)測的,其工作壓力為15.98MPa,工作溫度長期為10 ℃,極端條件下如8級以上地震及海嘯等,工作溫度會出現(xiàn)峰值(288 ℃),介質(zhì)為水。美國西屋公司產(chǎn)品主要由上法蘭(3"2500LB)、外筒組件、磁浮子、干簧鏈組件等組成,屬高壓壓力設(shè)備,西屋公司這個產(chǎn)品的特點是在滿足ASME BPVC-Ⅲ的設(shè)計條件下又對它附加一定的設(shè)計余量,使其產(chǎn)品過于笨重、抗震性能差[1-3],對抗極端外部自然災(zāi)害導(dǎo)致事故發(fā)生的能力差,采用FEA有限元分析法對其應(yīng)力分析,得知其抗震指標(biāo)僅為58 Hz左右,遠遠達不到我國有關(guān)文件上的要求,故對其重 新 設(shè) 計 ; 根 據(jù) HAF003 -1991《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》及相關(guān)導(dǎo) 則[4 -5],按 照ASME BPVC-Ⅲ 《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》Ⅰ級部件的要求進行了設(shè)計和分析。
堆芯水箱窄量程 液位變送器
1 外筒承壓設(shè)計
設(shè) 計 原 則 應(yīng) 能 滿 足ASME BPVC-Ⅲ 《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》中NB-3100和NB -3200款 項 中 的 要 求 [1],根據(jù)工作條件擬選外管1500LB,2 1/2"SCH80規(guī)格;法蘭選用3"1500LB RF[2]。
1)工況參數(shù)。操作壓力為15.98 MPa。工作溫度長期為10 ℃;極端條件下(如8級以上地震及海嘯等)工作溫度會出現(xiàn)峰值(288 ℃)。介質(zhì)為水(含極低微量硼元素)。外筒材質(zhì)為316LN/S-80S。
2)設(shè)計壓力及設(shè)計溫度。設(shè)計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規(guī)定,在計算中應(yīng)采用設(shè)計壓力以表示滿足NB-3222、NB -3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2和NB3231中所有應(yīng)力強度限制的要求。本文設(shè)計壓力值為17.2 MPa。設(shè)計溫度參照執(zhí)行文獻[1]中NB-31112.2規(guī)定,文中設(shè)計溫度值為用戶給定值350 ℃。
3)確定腐蝕裕量。根據(jù)文獻[1]中NB3641.1(c)增加壁厚以防腐蝕侵蝕;該工況水 (含極低微量硼元素)對316LN的年腐蝕量為0。
4)外筒承壓設(shè)計計算。設(shè)計方法按文獻[1]中NB-3641.1 受內(nèi)壓直管。設(shè)計壓力所要求的#小外筒壁厚
20190430110001.jpg
式中:A為附加厚度,mm,按照表NB-3641.1(a)-1[1]的非鐵素體鋼管取A=0.4mm;P為設(shè)計內(nèi)壓,MPa;D0為管件外徑,mm ,設(shè)計時應(yīng)采用不考慮公差的管件外競么計算;Sm為設(shè)計溫度下材料#大許用應(yīng)力強度,MPa(參見ASMEBPVC-ⅡD篇地衣分篇表[6]);Py為在特定系數(shù)下的壓力值,
其值py=py(文中系數(shù)y=0.4,見ASME BPVC-ⅢNB-3641.1(c)[1])。
 
5)選擇外筒管材規(guī)格。根據(jù)計算結(jié)果tm=6.011 mm,參照ASME B36.19M《不銹鋼鋼管》[7] 選擇21/2" SCH80的管材,其名義壁厚為7.01 mm>計算厚度6.011 mm,箂hou隳藶閔杓埔螅ㄈ繽?)。
外筒結(jié)構(gòu)尺寸圖
6)計算外筒的許用應(yīng)力。上面所選的外筒管材的實際承壓能力必須大于設(shè)計壓力。根據(jù)已經(jīng)選好的管材規(guī)格21/2"SCH80,計算#大許用應(yīng)力[1]:
20190430110041.jpg
式中:Sm=105 MPa(設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力,參見ASME-Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能[6],Sm#大值為124 MPa,為了更安全,計算時取105 MPa);t=7.01 mm;D0=73 mm;y=0.4(系數(shù),見文獻[1]中的NB-3641.1)。
20190430110041.jpg
 
7)焊縫及坡口設(shè)計。如圖2所示,該筒體上有兩道同軸對焊縫,按照文獻[1]中NB-4245和NB-4250的要求,焊道設(shè)計成全焊透焊縫如圖3所示。兩道焊道在全我公司自動氬弧焊專機上一次完成,能得到優(yōu)良的焊接接頭,其RT檢測可保證100%。
外筒焊縫坡口圖
 
2 磁浮子設(shè)計
設(shè)計原則應(yīng)能滿足文獻 [1]中NB -3100和NB3200的 要 求 ;根據(jù)上述結(jié)果設(shè)定磁浮子外徑尺寸為52 mm。
 
2.1 工況參數(shù)
工況參數(shù)見第1節(jié),取其#大值。
 
2.2 設(shè)計壓力及設(shè)計溫度
設(shè)計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規(guī)定,在計算中應(yīng)采用設(shè)計壓力以表示滿足NB-3222、NB-3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2 和NB3231中所有應(yīng)力強度限制的要求。本文設(shè)計壓力值為17.2 MPa。
 
設(shè)計溫度參照執(zhí)行文獻 [1]NB-31112.2規(guī)定,在要求采用規(guī)定的使用壓力所進行的所有計算中,應(yīng)采用所考慮部位的實際金屬溫度,文中設(shè)計溫度值為用戶給定值350 ℃。
 
2.3 磁浮子結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計
如圖4所示,由9個外徑為52 mm 壁厚為1.2 mm的球組成,材質(zhì)為TC4;長期正常工作液面為10 ℃、密度為1.0 g/cm3,此時浮子入水高度為346 mm; 當(dāng)出現(xiàn)極端狀態(tài)時288℃、密度為0.74 g/cm3; 此時浮子入水高度為467 mm。以上兩個工作液面高度差為467-346=121 mm。
磁浮子結(jié)構(gòu)圖
2.4 磁浮子承壓計算
shou先算出系數(shù)A=0.125 /(R / T)= 0.125/(24.8/1.2) =0.006。 式中:R為球殼內(nèi)徑,mm;T為球殼壁厚,mm。參 考 ASME - Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能[6],見系數(shù)A-B表,根據(jù)TC4彈性模量求得系數(shù)B=43×10=430。用下式求得#大允許外壓:Pa=20190430110401.jpg高 于 設(shè) 計 壓 力(17.2MPa)。根據(jù)計算結(jié)果得知磁浮子結(jié)構(gòu)尺寸合理可用,適合外筒設(shè)計的工作條件。
 
2.5 介質(zhì)溫度的變化與量程補償曲線
本磁浮子是按長期正常工作條件10 ℃、1.006 g/cm3標(biāo)定的,當(dāng)出現(xiàn)極端條件如八級以上地震時,反應(yīng)堆的冷卻水會進入到儀表工作區(qū),此時的工況條件是288 ℃、5.98MPa;由于工作溫度變化很大,從10 ℃變化到288 ℃,介質(zhì)密度也相應(yīng)變化為1.0069 ~0.7507 g/cm3; 磁浮子是按#大密度設(shè)計的,所以當(dāng)工作溫度變化到288 ℃時,由于密度的變小儀表的輸出數(shù)據(jù)也要有所變化,變化差為121 mm。介質(zhì)溫度與密度對應(yīng)的曲線關(guān)系如圖5所示,溫度與量程補償曲線如圖6所示。
介質(zhì)溫度與密度對應(yīng) 的曲線關(guān)系
3 與美國西屋公司同類產(chǎn)品抗震載荷分析對比
抗震載荷測試是核反應(yīng)堆上一項重要性能指標(biāo),參照美國 的ASME NQA -1 -2004核設(shè)施質(zhì)量保證大綱要求[2]中地震試驗要求,在未加固定支架情況下,對產(chǎn)品的上下部位施加6g載荷和相應(yīng)的力矩載荷,載荷震動頻率5~100 Hz,運用FEA有限元應(yīng)力分析法進行應(yīng)力和頻率分析對比,如表1所示。
模態(tài)試驗數(shù)據(jù)表
從表1可以看出美國西屋公司的產(chǎn)品遠遠達不到載荷震動頻率要求,實驗中要求載荷震動頻率#大能達到100Hz,可是該產(chǎn)品只能達到58.8 Hz,一旦超過58.8 Hz產(chǎn)品將會永久變形破壞;而我公司的產(chǎn)品載荷震動頻率可以達到199.54 Hz,其性能明顯優(yōu)于美國西屋公司的產(chǎn)品。
 
4 制造與工藝
壓力儀表圓形對接頭均通過專機實現(xiàn)自動化焊接,使產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量均能達到100%Ⅰ級焊縫。
 
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