核电厂排污系统非再生热交换器设计

应秉斌 陈红生 周 全

(上海核工程研究设计院)

核电厂排污系统非再生热交换器设计

应秉斌*陈红生 周 全

(上海核工程研究设计院)

所设计的非再生热交换器应用于某核电厂工程1号机组的排污水冷却，其管侧和壳侧分别承受7.5 MPa和0.8 MPa的压力，一旦失效其危害性较大。 以RCC-M 《压水堆核电厂核电机械设备设计和建造规则》为依据，通过对该设备的材料、设计、制造、检验和压力试验等环节的控制，确保该设备能安全稳定地运行。

换热器 RCC-M 核电厂 承压设备

0 引言

非再生热交换器是核电站蒸汽发生器排污系统中的重要设备。该设备用于将蒸汽发生器二次侧的排污水温度降至60℃以下，以保证排污系统中除盐器树脂的良好工作条件。非再生热交换器的管侧和壳侧分别承受一定的内压，属压力容器范围。压力容器设计是一台压力容器诞生的第一步，也是质量保证的第一环节。压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准，在确保安全的前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构、强 （刚）度设计。设计中，在满足设备功能的同时，还需综合考虑材料、结构、制造、检验、经济性等环节，这些环节都应予以高度重视。

1 设计输入

核电站的设备根据其安全功能和安全重要性进行分级，通常分为核1、2、3级和非核级。本设备的安全等级为核3级，根据安全等级确定其设计标准为RCC-M 《压水堆核电厂核电机械设备设计和建造规则》。

完整的设计输入应包含设计压力、设计温度、工作介质、设计流量等信息，这些将是设备设计的基础。本设备的设计条件如表1所示。

表1 设计条件

2 材料[3，5]

设计是先导，但材料是基础。压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性和与介质相容性。

本设备的壳侧介质为设备冷却水，其腐蚀性较低，故选用20HR碳素钢。20HR是在20钢基础上发展起来的，主要是对硫、磷等有害元素的控制更加严格，增加了低温冲击性能的要求，对钢材的表面质量和内部缺陷的要求也较高。

本设备的管侧介质为排污水，其腐蚀性略高于设备冷却水。选用的TU42C管材，是RCC-M标准中的牌号，与国内15Mn相当，是一种低合金钢，具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性以及低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。

3 强度设计

3.1 内压圆筒壁厚计算[1，4]

内压圆筒壁厚计算主要采用材料力学及板壳理论，按最大拉应力准则来推导受压元件的强度尺寸计算公式。本文壁厚计算选用RCC-M标准中的圆柱形筒体的最小厚度计算公式：

式中P——设计内压，MPa；

R——筒体内半径，mm；

S——筒体材料的许用应力，MPa；

K——修正系数。

按照RCC-M标准，式中的修正系数K取1，设计内压P、筒体内半径R为已知参数，由上式即可求得壁厚t值。

3.2 管板设计[2]

本文所设计的换热器结构如图1所示，管板形式为延长部分兼作法兰的结构。本设备管板计算采用TEMA标准。管板的厚度计算公式如下：

式中F——与筒体壁厚内径比值有关的系数；

G——筒体内径，mm；

P——设计内压，MPa；

S——管板材料的许用应力，MPa；

η——与管间距和管子外径有关的系数。

图1 非再生热交换器

4 检验[1，6]

焊接是压力容器零部件之间的主要连接方法，而且容器的失效往往会在焊缝部位先失效，因此必须对焊接的质量进行严格控制，必须对焊缝进行无损检验。

根据RCC-M的规定，每条对接焊缝焊后应进行20%射线检验，且检验长度不小于250 mm，检验结果应符合标准中的3级要求。进行局部射线检验的焊缝，发现有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加检查长度，增加的长度为该焊缝长度的20%，且不小于250 mm，若仍有不允许的缺陷时，则对该焊缝进行100%射线检验。

5 试验

换热管与管板焊接后胀接前应进行气密性试验，试验压力为0.3 MPa（表压），经检查无泄漏后再进行胀接。换热管与管板胀接后，将热交换器壳程抽真空至1.33～0.133 Pa，且为连续抽气，再逐个沿着管子与管板连接的焊缝喷氦检漏，每单个焊缝允许泄漏量小于1.3×10-7Pa·m3/s为合格。

非再生热交换器制造完毕后，应对其壳侧和管侧分别按RCC-M的标准进行水压试验，试验压力为1.8 MPa（表压）和12.75 MPa（表压）。试验后，应对其进行清洗，并用过滤后的干燥压缩空气（湿度＜65%）吹干设备。

6 结论

通过对材料、强度、检验和试验的严格要求，并严格控制非再生热交换器在设计和制造过程中的质量，确保了非再生热交换器能安全稳定地运行。

[1]RCC-M.压水堆核电厂核电机械设备设计和建造规则[S].

[2]TEMA.美国管式换热器制造商协会标准[S].

[3]叶文邦,等.压力容器设计指导手册[M].昆明：云南科技出版社，2006.

[4]郑津洋,等.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[5]魏锋,等.压力容器设计知识[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6]GB150-1998.钢制压力容器[S].

Non-renewable Heat Exchanger Design for Nuclear Power Plant Waste Water System

Ying Bingbin Chen Hongsheng Zhou Quan

The non-renewable heat exchanger is used to cool waste water in nuclear power plant project unit-1,the pressure of tube pass and shell pass is 7.5 MPa and 0.8 MPa,it is very dangerous if the equipment fail.In this paper it uses RCC-M code to control the material,designment,manufacture,inspection and pressure test,to make sure the heat exchanger running safety and stably.

Heat exchanger； RCC-M； Nuclear power plant； Press equipment

TQ 051.5

*应秉斌，男，1982年1月生，硕士，工程师。上海市，200233。

2010-12-13)