【正文】 傳熱性能和焊接性能的核電設(shè)備材料6）模擬殼程流體介質(zhì)的相變，為開發(fā)高效緊湊型換熱設(shè)備提供數(shù)據(jù)支持。 核電常規(guī)島高壓加熱器設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)介紹高壓加熱器（亦稱表面式給水加熱器,簡(jiǎn)稱高加）是汽輪機(jī)給水回?zé)嵯到y(tǒng)中的一個(gè)重要組件。高壓加熱器按單列（或雙列）、臥式（或倒立式）、U 形管、雙流程設(shè)計(jì), 采用小旁路給水系統(tǒng) , 即每級(jí)高加可在臨一級(jí)高加旁路下運(yùn)行, 也可按大旁路給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。每個(gè)高加可以分為過(guò)熱蒸汽段，蒸汽冷凝段和疏水冷卻段三段，結(jié)構(gòu)參見圖21。圖21 核電高壓加熱器模型剖開圖過(guò)熱蒸汽段是利用汽輪機(jī)抽出過(guò)熱蒸汽的一部分顯熱升高給水溫度使其等于或大于進(jìn)氣壓力下的飽和溫度。過(guò)熱蒸汽從蒸汽進(jìn)口管進(jìn)入殼體后，將防沖刷擋板焊接在支撐板上，使管束避免與高溫高壓蒸汽直接接觸，可以較好的防止?jié)裾羝麑?duì)管子的沖刷和水蝕。在蒸汽凝結(jié)段，利用蒸汽冷凝時(shí)放出的潛熱加熱給水。從過(guò)熱蒸汽冷卻段流出的蒸汽均勻地流向該段的各部分。為了減少非凝結(jié)氣體的積聚而影響傳熱效果或產(chǎn)生腐蝕。在蒸汽凝結(jié)段段管束中設(shè)置了內(nèi)置式排氣裝置，有利于沿管束長(zhǎng)度方向均勻地排出非凝結(jié)氣體。 被凝結(jié)的液體以及通過(guò)疏水進(jìn)口管座進(jìn)入的附加疏水或從較高壓力加熱器來(lái)的逐級(jí)疏水都積聚在殼體的最低部位，該段的疏水（冷凝水）流向疏水冷卻段。疏水冷卻段是把離開凝結(jié)段的流水熱量傳給進(jìn)入加熱器的給水，使疏水涅度降至飽和溫度以下，達(dá)到規(guī)定的疏水端差。疏水冷卻段位于給水進(jìn)口流程側(cè)，由包殼板密封該流程的所有管子，用一塊較厚的端板將冷凝段與疏水冷卻段分隔開來(lái)。端板的作用是當(dāng)蒸汽進(jìn)入到端板的管孔和管子外表面的間隙時(shí)，被凝結(jié)而形成了一個(gè)水密封。（也稱毛細(xì)管密封），以阻止蒸汽泄漏到該段內(nèi)。吸水口插入被準(zhǔn)確地保持一定的凝結(jié)水位之下, 凝結(jié)水經(jīng)一組隔板引導(dǎo)向上流動(dòng)，通過(guò)該段，三從位于該段頂部在殼體側(cè)面的疏水出口管疏出。這樣的疏水出口管設(shè)置，可以免去在運(yùn)行前排放殘剩氣體。限制凝結(jié)水進(jìn)入吸水口的流速，以防凝結(jié)水汽化，導(dǎo)致管材沖刷而損壞。高壓加熱器主要由殼體、水室、管束、防沖擋板、支撐板、折流板和管板等結(jié)構(gòu)組成。(1) 殼體 高加殼體采用全焊接結(jié)構(gòu)，為檢查殼體內(nèi)部時(shí)可抽出殼體，故殼體上標(biāo)有現(xiàn)場(chǎng)切割線，在切割線之下襯有不銹鋼保護(hù)環(huán)，以免切割時(shí)損及管束。殼體與管板間的B類焊縫、支座墊板、包裝預(yù)埋板與管板間焊縫及焊疤打磨面需要進(jìn)行熱處理。筒節(jié)布置一定的就地溫度計(jì)接管、就地壓力表接管、殼側(cè)化學(xué)清洗接管。 (2) 水室高加水室采用半球封頭型，設(shè)有一使用螺柱螺母連接結(jié)構(gòu)的人孔，通過(guò)人孔可進(jìn)入水室，人孔蓋的拆除和安裝，使用專用工具，操作簡(jiǎn)便，省時(shí)省力。水室分隔板焊接在管板上，只有一過(guò)渡管與水室出口管座焊接，避免分隔板與半球封頭直接焊接，消除了半球封頭受壓后產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力。同殼體一樣，需要布置一定的就地溫度計(jì)接管、就地壓力表接管、殼側(cè)化學(xué)清洗接管。(3) 管束管子材料可以根據(jù)用戶要求與實(shí)際情況選用。對(duì)于核電設(shè)備，雖然循環(huán)用水已經(jīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理，但對(duì)管子以及焊縫的腐蝕是需要考慮的，采用SA803TP439不銹鋼換熱管。管子與管板的連接采用了先進(jìn)的焊接及液壓脹管連接，保證了密封性與抗拉脫性。沿管束長(zhǎng)度方向布置隔板，起到支承管子作用，在設(shè)計(jì)中還對(duì)整個(gè)管系進(jìn)行振動(dòng)分析，防止在各種負(fù)荷工況下發(fā)生振動(dòng)，出于進(jìn)一步安全穩(wěn)定性考慮，在換熱管彎管段設(shè)置了防震裝置。(4) 支承設(shè)計(jì)支承時(shí)，考慮了地震對(duì)高加的影響。管板下是高加的固定支點(diǎn)，近殼體尾部是滾動(dòng)支承，當(dāng)殼體受熱膨脹時(shí)可沿軸向滾動(dòng)。在高加殼體中部備有相同的滾動(dòng)支承，供檢修時(shí)抽除殼體用。 在加熱器殼體尾部，用不銹鋼板分隔出一段獨(dú)立擴(kuò)容室，使外來(lái)的疏水在這里經(jīng)擴(kuò)容后再進(jìn)入到凝結(jié)段去，有效地避免了對(duì)管子的沖刷。引進(jìn)的高壓加熱器設(shè)計(jì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了熱力、阻力、強(qiáng)度、振動(dòng)、變工況特性、重量等計(jì)算，選擇了最佳設(shè)計(jì)方案，充分體現(xiàn)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)性可靠性和合理性。 本文研究的主要內(nèi)容（1）掌握核電常規(guī)島高壓加熱器工作的基本原理，認(rèn)識(shí)其在核電站二回路系統(tǒng)中的位置和功能。（2）通過(guò)使用AutoCAD軟件繪制高壓加熱器總裝配圖和零部件圖，進(jìn)一步熟悉核電常規(guī)島高壓加熱器各部分結(jié)構(gòu)及功能，領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)思想，掌握制造、檢測(cè)、安裝工藝。（3）按GB150—2011和GB151—1999進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)度校核。（4）根據(jù)工藝條件，進(jìn)行熱力計(jì)算。（5）參考國(guó)內(nèi)外研究成果，提出高加零部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，如為了防止高壓給水對(duì)管孔焊縫沖蝕，脹接一段30mm不銹鋼薄套管、對(duì)管板的“X”型不開孔設(shè)計(jì)、在蒸汽冷凝段下部半圓形范圍的換熱管加置余弦引流翅片等。 第二章 核電常規(guī)島高壓加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 封頭設(shè)計(jì)與水室接管設(shè)計(jì) 水室設(shè)計(jì) 寧德核電一期4超超臨界1000MW機(jī)組采用“U 型管—管板式”高壓加熱器，U型管式高加水室，也即列管式換熱器的管箱，其作用主要是分配和匯集換熱前后的高壓給水。水室承壓高,材質(zhì)基本為低合金高強(qiáng)度鋼，如水室封頭或筒體。設(shè)計(jì)采用舞陽(yáng)鋼鐵廠SA516Gr70（執(zhí)行美國(guó)ASTM、ASME標(biāo)準(zhǔn)），熱處理需要鋼板通常以軋制狀態(tài)供貨，鋼板也可按正火或消除應(yīng)力，或正火加消除應(yīng)力訂貨，特點(diǎn)是抗沖擊性能好，溫度形變小，焊接性能好，抗疲勞性能好，防層狀撒裂性能好，微合金化，高純凈度，低碳當(dāng)量 抗硫氫能力強(qiáng)，產(chǎn)品具有良好的尺寸公差和表面質(zhì)量。高加的泄漏原因除換熱管破裂外，多半是發(fā)生在水室內(nèi)，如：在換熱管與管板的連接處的焊接裂紋、分程隔板或人孔密封不嚴(yán)等。如何設(shè)計(jì)和保護(hù)這些部件就是很重要的問(wèn)題。水室封頭形式、人孔、給水進(jìn)出口接管、分程隔板的設(shè)置，都將對(duì)高壓加熱器性能產(chǎn)生一定影響，下面分別簡(jiǎn)述。 封頭設(shè)計(jì)壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋和緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。合理設(shè)置封頭形式，不僅可使高加設(shè)備運(yùn)行優(yōu)良，還可節(jié)約制造成本。對(duì)于水室的形式，為了便于進(jìn)入水室檢修，對(duì)水室直徑的大小可以按Dn = 1 100 mm 為界。當(dāng)水室直徑Dn ≤1100 mm時(shí)，可采用圓柱體伍德密封（即通常所稱的大開口），一般用在50 MW機(jī)組和200 MW機(jī)組的外置式蒸汽冷卻器和疏水冷卻器上；當(dāng)水室直徑Dn 1100 mm時(shí)，一般采用圓柱體加半橢圓封頭水室加人孔形式或半球形水室加人孔形式，常用在100 MW及以上機(jī)組，均為自緊密封結(jié)構(gòu)。半球形水室，水室空間相對(duì)較小，管端泄漏檢修較橢圓封頭水室困難，但材料消耗低。給水入口管只能斜向布置于封頭上，而與管板成一定角度，為降低沖刷,給水入口采用整流裝置。整流板用較厚的耐沖蝕的鉻鉬鋼材料制成,整流板孔采用喇叭形孔，輔助管板孔形成較好的給水流線，降低管端入口束流沖擊。對(duì)300 MW及以上高加，還需在給水進(jìn)口端的換熱管口內(nèi)設(shè)不銹鋼襯套，進(jìn)一步防止渦流沖刷腐蝕。以水室直徑DN 1300 為例進(jìn)行比較見表21。 表21 橢圓封頭和球形封頭對(duì)比表水室結(jié)構(gòu)水室空間凈高水室高度封頭計(jì)算厚度封頭名義厚度水室金屬重量高加總高半橢圓封頭水室10601280904900約8300半球形水室680820652300約7840由表21可知：半橢圓封頭水室，水室空間大，水的流性好，抗蝕性能較好且檢修方便，但殼體壁較厚，增加材料重量及焊接工作量；半球形水室，重量較輕，高度降低，制造成本較低，但水室空間較小，水的流性較差。從受力計(jì)算模型分析：球形封頭、橢圓封頭及筒體主要受薄膜應(yīng)力作用，球形封頭結(jié)構(gòu)變化平緩均勻，應(yīng)力集中傾向較小；在相同壓力作用下，前者所受薄膜應(yīng)力幾乎是后者一半；從表3可看出球形封頭壁厚比橢圓封頭明顯減少。由于半球形水室少了筒節(jié)，封頭壁厚較薄，因而高加總重較輕，高度降低。少數(shù)高加已開始采用半球形水室加人孔形式，具體采用何種形式，還需考慮設(shè)計(jì)院給水管道的布置等因素。圖21為水室直徑Dn = 1300 mm水室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。從受力計(jì)算模型分析，球形封頭、橢圓封頭及筒體主要受薄膜應(yīng)力作用，球形封頭結(jié)構(gòu)變化平緩均勻，應(yīng)力集中傾向較小。在相同壓力作用下，前者所受薄膜應(yīng)力幾乎是后者一半，人孔蓋和大開口結(jié)構(gòu)中的頂蓋主要承受彎曲應(yīng)力，需要壁厚較大。圖21 球形封頭水室半球形封頭厚度的計(jì)算——封頭厚度[σ]t——SA516Gr70許用應(yīng)力，取119Mp ——焊接系數(shù)，取1——半球形封頭直徑，取1000mm由厚度計(jì)算公式 算得： =考慮腐蝕裕量以及多個(gè)開孔造成的應(yīng)力集中，取封頭厚度為75mm。 水室接管設(shè)計(jì)一、給水進(jìn)出口接管 高壓加熱器給水進(jìn)口溫度，出口溫度，體積變化較小，為了采購(gòu)和制造方便統(tǒng)一，決定采用公稱直徑相同的接管，以出口接管的計(jì)算為例即可。設(shè)定給水進(jìn)口流速 圓整至其直徑大小與給水流量有關(guān),流速選擇按《機(jī)械工程手冊(cè)》第72 篇，一般為1. 5～ m/s，超高壓機(jī)組可到5 m/s， m/s。選用用德國(guó)牌號(hào)鋼管15NiCuMoNb564，該材料廣泛適用于高溫高壓給水接管。接管與水室筒體或封頭的連接采用騎座式全焊透結(jié)構(gòu)。 開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)由于工藝的要求，需要在容器上開孔并安裝接管，這樣就導(dǎo)致器壁的強(qiáng)度下降，在殼體和接管的連接處，還會(huì)因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來(lái)隱患，因此壓力容器設(shè)計(jì)必須考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。1. 補(bǔ)強(qiáng)型式壓力容器接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)通常采用局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)型式，主要有以下幾種形式[18]：（1）補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)：補(bǔ)強(qiáng)圈貼焊在殼體與接管連接處，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。適用范圍：靜載，常壓，中低壓，材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于，殼體名義厚度不大于的場(chǎng)所。（2）厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)：在開孔處焊上一段后壁接管，由于接管的加厚部分正處于最大應(yīng)力區(qū)域，固比補(bǔ)強(qiáng)圈更能有效的降低應(yīng)力集中系數(shù)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢測(cè)，因此補(bǔ)強(qiáng)效果較好。適用范圍：高強(qiáng)度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性高，一般采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。（3）整鍛件補(bǔ)強(qiáng)：該結(jié)構(gòu)是將接管和部分殼體連同補(bǔ)強(qiáng)部分做成整體鍛件，再與殼體和接管連接。其特點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，能有效的降低應(yīng)力集中系數(shù)。適用范圍：主要用于重要的壓力容器，如核容器，材料屈服點(diǎn)在以上的容器開孔及受低溫，高溫，疲勞載荷容器的大直徑開孔等。根據(jù)以上特點(diǎn)，核電高壓加熱器采用厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。厚壁接管能夠較好的緩解開孔邊緣較窄范圍內(nèi)的高應(yīng)力集中問(wèn)題，其中接管加厚部分，正位于最大應(yīng)力區(qū)域，從而可以有效降低開孔邊緣的應(yīng)力集中，并且厚壁接管與殼體形成了整體，抗疲勞性能比補(bǔ)強(qiáng)圈大幅度提高。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，只需一段厚壁管即可，在設(shè)備制造中非常方便。 分程隔板設(shè)計(jì)將加熱前后的給水分開,承受瞬時(shí)沖擊,須保證密封性能。與水室裝配前預(yù)先分割成幾塊,每塊焊有手柄,其外形尺寸應(yīng)保證該件能自由地從人孔進(jìn)出?？紤]熱膨脹因素,高加水室中分程隔板的設(shè)置不盡相同。采用圓柱體加半橢圓封頭水室加人孔形式，分程隔板能自由膨脹。半球形水室加人孔形式分程隔板要與給水出口接管連接,必須加裝膨脹節(jié)，膨脹節(jié)一般由剖開的管子彎制而成。 人孔設(shè)計(jì)半球形封頭水室與橢圓形水室均采用自密封人孔,密封可靠,裝拆方便。人孔分圓形人孔和橢圓形人孔,前者易于加工,工裝少,但水室內(nèi)件裝配和檢修不很方便。后者加工難度較大。核電常規(guī)島高壓加熱器人孔門蓋為封閉型設(shè)計(jì)，不需太大的緊力來(lái)緊固，門蓋通過(guò)2根緊固螺栓緊固，人孔加工為橢圓形，這樣易于水室內(nèi)件裝配和檢修,操作時(shí)可把緊固螺栓取下，將孔蓋取下?？拷覀?cè)的孔蓋添加密封墊圈，密封墊圈采用高強(qiáng)度石墨纏繞墊片，人孔結(jié)構(gòu)見圖22。圖22 核電高加人孔結(jié)構(gòu)圖圓筒的計(jì)算工藝條件如下：設(shè)計(jì)壓力：有安全控制裝置，取設(shè)計(jì)溫度：焊縫系數(shù)：真空度可忽略不計(jì)計(jì)算壓力：材料：ASME標(biāo)準(zhǔn)SA516GR70，許用應(yīng)力a．計(jì)算厚度按下式計(jì)算，公式的適用范圍為。其中，——筒體厚度，mm；——筒體計(jì)算壓力，Mpa；； ——圓筒內(nèi)直徑，mm；取2100；——美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)SA516Gr70許用應(yīng)力，Mpa；取119； ——焊接系數(shù)，取1；求得：筒體厚度=，鋼負(fù)偏差為：，腐蝕裕量，圓整。采用32mm鋼板卷制。b．計(jì)算長(zhǎng)度：c．圓筒外徑：d．臨界壓力因?yàn)椋海?，所以高加筒體為薄壁短圓筒。e．許用外壓力根據(jù)圓筒材料選用相應(yīng)的厚度計(jì)算圖得：由圖可以判定為彈性失穩(wěn)，所以計(jì)算許用外壓力：滿足條件，不需圓筒上設(shè)置加強(qiáng)圈。主要接管尺寸1．蒸汽進(jìn)口接管 設(shè)定蒸汽在管道中的流速為 蒸汽進(jìn)口接管 圓整2．疏水出口接管疏水出口處的水由蒸汽冷凝水和上級(jí)疏水兩部分組成設(shè)定疏水出口流速 體積流量 疏水出口接管 圓整高加在正常工作時(shí)，要求汽側(cè)水位保持在一定范圍內(nèi)，水位過(guò)高會(huì)造成汽輪機(jī)進(jìn)水而引起葉片斷裂，大軸彎曲，加熱器殼體爆破等重大事故；水位過(guò)低, 或無(wú)水運(yùn)行, 造成大量蒸汽從高壓加熱器內(nèi)逸出，潛熱沒(méi)有充分利用，高壓加熱器傳熱效果嚴(yán)重惡化,給水溫度下降，機(jī)組的煤耗增加，同時(shí)疏水管道由于汽水兩相流動(dòng)的影響而嚴(yán)重沖刷, 常產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象，被迫停止運(yùn)行。加熱器常用的電動(dòng)式、浮子式疏水水位調(diào)節(jié)器, 由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作，易沖損腐蝕，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械卡澀失靈。檢修維護(hù)量大、事故率高, 降低了循環(huán)熱效率，節(jié)能效果不好，為解決上述問(wèn)題，在寧德核電一期4機(jī)組的高加上采用汽液兩相流自動(dòng)調(diào)節(jié)水位控制裝置。圖23 核電高加水位調(diào)節(jié)示意圖汽液兩相流自動(dòng)控制裝置的工作原理（1）裝置結(jié)構(gòu)本裝置由