摘 要:目前核電站堆芯水箱供水監(jiān)測(cè)采用的液位變送器主要采用美國(guó)西屋公司的產(chǎn)品,其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均按照ASMEBPVC- III《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》I 級(jí)部件中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì);美國(guó)西屋公司產(chǎn)品特點(diǎn)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(jì)規(guī)范,對(duì)核電站堆芯水箱窄量程液位變送器進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)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(guó)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(cè)的,其工作壓力為15.98MPa,工作溫度長(zhǎng)期為10 ℃,極端條件下如8級(jí)以上地震及海嘯等,工作溫度會(huì)出現(xiàn)峰值(288 ℃),介質(zhì)為水。美國(guó)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(gè)產(chǎn)品的特點(diǎn)是在滿足ASME BPVC-Ⅲ的設(shè)計(jì)條件下又對(duì)它附加一定的設(shè)計(jì)余量,使其產(chǎn)品過(guò)于笨重、抗震性能差[1-3],對(duì)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(duì)其應(yīng)力分析,得知其抗震指標(biāo)僅為58 Hz左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我國(guó)有關(guān)文件上的要求,故對(duì)其重 新 設(shè) 計(jì) ; 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(jí)部件的要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。
1 外筒承壓設(shè)計(jì)
設(shè) 計(jì) 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(xiàng) 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(zhǎng)期為10 ℃;極端條件下(如8級(jí)以上地震及海嘯等)工作溫度會(huì)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(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度。設(shè)計(jì)壓力按文獻(xiàn)[1]中NB-3112.1規(guī)定,在計(jì)算中應(yīng)采用設(shè)計(jì)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(qiáng)度限制的要求。本文設(shè)計(jì)壓力值為17.2 MPa。設(shè)計(jì)溫度參照?qǐng)?zhí)行文獻(xiàn)[1]中NB-31112.2規(guī)定,文中設(shè)計(jì)溫度值為用戶(hù)給定值350 ℃。
3)確定腐蝕裕量。根據(jù)文獻(xiàn)[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(duì)316LN的年腐蝕量為0。
4)外筒承壓設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)方法按文獻(xiàn)[1]中NB-3641.1 受內(nèi)壓直管。設(shè)計(jì)壓力所要求的#小外筒壁厚
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(jì)內(nèi)壓,MPa;D0為管件外徑,mm ,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用不考慮公差的管件外競(jìng)么計(jì)算;Sm為設(shè)計(jì)溫度下材料#大許用應(yīng)力強(qiáng)度,MPa(參見(jiàn)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(jiàn)ASME BPVC-ⅢNB-3641.1(c)[1])。
5)選擇外筒管材規(guī)格。根據(jù)計(jì)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(jì)算厚度6.011 mm,箂hou隳藶閔杓埔螅ㄈ繽?)。
6)計(jì)算外筒的許用應(yīng)力。上面所選的外筒管材的實(shí)際承壓能力必須大于設(shè)計(jì)壓力。根據(jù)已經(jīng)選好的管材規(guī)格21/2"SCH80,計(jì)算#大許用應(yīng)力[1]:
式中:Sm=105 MPa(設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,參見(jiàn)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(jì)算時(shí)取105 MPa);t=7.01 mm;D0=73 mm;y=0.4(系數(shù),見(jiàn)文獻(xiàn)[1]中的NB-3641.1)。
7)焊縫及坡口設(shè)計(jì)。如圖2所示,該筒體上有兩道同軸對(duì)焊縫,按照文獻(xiàn)[1]中NB-4245和NB-4250的要求,焊道設(shè)計(jì)成全焊透焊縫如圖3所示。兩道焊道在全我公司自動(dòng)氬弧焊專(zhuān)機(jī)上一次完成,能得到優(yōu)良的焊接接頭,其RT檢測(cè)可保證100%。
2 磁浮子設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)原則應(yīng)能滿足文獻(xiàn) [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(jiàn)第1節(jié),取其#大值。
2.2 設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度
設(shè)計(jì)壓力按文獻(xiàn)[1]中NB-3112.1規(guī)定,在計(jì)算中應(yīng)采用設(shè)計(jì)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(qiáng)度限制的要求。本文設(shè)計(jì)壓力值為17.2 MPa。
設(shè)計(jì)溫度參照?qǐng)?zhí)行文獻(xiàn) [1]NB-31112.2規(guī)定,在要求采用規(guī)定的使用壓力所進(jìn)行的所有計(jì)算中,應(yīng)采用所考慮部位的實(shí)際金屬溫度,文中設(shè)計(jì)溫度值為用戶(hù)給定值350 ℃。
2.3 磁浮子結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
如圖4所示,由9個(gè)外徑為52 mm 壁厚為1.2 mm的球組成,材質(zhì)為T(mén)C4;長(zhǎng)期正常工作液面為10 ℃、密度為1.0 g/cm3,此時(shí)浮子入水高度為346 mm; 當(dāng)出現(xiàn)極端狀態(tài)時(shí)288℃、密度為0.74 g/cm3; 此時(shí)浮子入水高度為467 mm。以上兩個(gè)工作液面高度差為467-346=121 mm。
2.4 磁浮子承壓計(jì)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(jiàn)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=
高 于 設(shè) 計(jì) 壓 力(17.2MPa)。根據(jù)計(jì)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(jì)的工作條件。
2.5 介質(zhì)溫度的變化與量程補(bǔ)償曲線
本磁浮子是按長(zhǎng)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(jí)以上地震時(shí),反應(yīng)堆的冷卻水會(huì)進(jìn)入到儀表工作區(qū),此時(shí)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(jì)的,所以當(dāng)工作溫度變化到288 ℃時(shí),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(duì)應(yīng)的曲線關(guān)系如圖5所示,溫度與量程補(bǔ)償曲線如圖6所示。
3 與美國(guó)西屋公司同類(lèi)產(chǎn)品抗震載荷分析對(duì)比
抗震載荷測(cè)試是核反應(yīng)堆上一項(xiàng)重要性能指標(biāo),參照美國(guó) 的ASME NQA -1 -2004核設(shè)施質(zhì)量保證大綱要求[2]中地震試驗(yàn)要求,在未加固定支架情況下,對(duì)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(dòng)頻率5~100 Hz,運(yùn)用FEA有限元應(yīng)力分析法進(jìn)行應(yīng)力和頻率分析對(duì)比,如表1所示。
從表1可以看出美國(guó)西屋公司的產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到載荷震動(dòng)頻率要求,實(shí)驗(yàn)中要求載荷震動(dòng)頻率#大能達(dá)到100Hz,可是該產(chǎn)品只能達(dá)到58.8 Hz,一旦超過(guò)58.8 Hz產(chǎn)品將會(huì)永久變形破壞;而我公司的產(chǎn)品載荷震動(dòng)頻率可以達(dá)到199.54 Hz,其性能明顯優(yōu)于美國(guó)西屋公司的產(chǎn)品。
4 制造與工藝
壓力儀表圓形對(duì)接頭均通過(guò)專(zhuān)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接,使產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量均能達(dá)到100%Ⅰ級(jí)焊縫。