【正文】 跨越、核電管理與國際接軌，走出了一條以我為主，發(fā)展民族核電的成功之路。近年來，我國核電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展取得了顯著的成績。2009年，我國核電技術(shù)裝備自主化工作捷報頻傳，如核島主設(shè)備關(guān)鍵鑄鍛件實現(xiàn)國產(chǎn)化突破、核二級泵全部完成樣機(jī)研制、蒸發(fā)器換熱管完成實驗室研制后開始批量生產(chǎn)等?！　?010年，我國核電設(shè)備行業(yè)繼續(xù)快速發(fā)展，核電關(guān)鍵重要設(shè)備自主化腳步不斷加快。截止2010年底，我國核電裝機(jī)容量突破1000萬千瓦，達(dá)1082萬千瓦。這標(biāo)志著世界最先進(jìn)的壓水堆核電關(guān)鍵設(shè)備實現(xiàn)“中國制造”。此外，中國核電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也受到了國外企業(yè)的關(guān)注，美國西屋，法國阿?，m、阿爾斯通、日本三菱重工等國外核電設(shè)備制造企業(yè)也紛紛發(fā)力中國核電設(shè)備市場。由沿海延伸至內(nèi)陸的多省份核電站建設(shè)大動作，則為核電設(shè)備企業(yè)鋪展開廣闊的發(fā)展藍(lán)圖。 研究意義最近，東方鍋爐廠和哈爾濱鍋爐廠先后為福建寧德核電站和浙江三門核電站研發(fā)制造了多臺國產(chǎn)自主化的高壓加熱器。但我國企業(yè)在設(shè)計技術(shù)、計算軟件、工程管理、設(shè)備配套供應(yīng)等方面與國外先進(jìn)水平之間存在比較大的差距。 核電常規(guī)島高壓加熱器簡介 核電常規(guī)島高壓加熱器在二回路的位置及功能一、高壓加熱器的功能：（1）利用汽輪機(jī)一、二級抽汽來加熱給水，提高汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的效率；（2）把高壓加熱器中的冷凝的加熱蒸汽凝結(jié)水排往除氧器或凝汽器；（3）維持高壓加熱器殼側(cè)的額定液位；（4）去除高壓加熱器殼側(cè)的不凝結(jié)氣體；（5）當(dāng)任何一個高壓加熱器殼側(cè)液位超過警戒水位時，立即停運(yùn)并旁通該列高壓加熱器組，通過該列高壓加熱器的旁路向蒸發(fā)器供水；（6）緊急情況時保護(hù)汽輪機(jī)，防止高壓加熱器殼側(cè)中的汽水混合物由于壓力下降汽化反串進(jìn)入汽輪機(jī)。由以上原則確定核電常規(guī)島高加蒸汽走殼程，加熱給水走管程。我國制造商和電站運(yùn)營企業(yè)所做研究多偏于管板與U型管加工工藝，爆管泄露，管束震動，水位失控等運(yùn)行安全性方面（如杭州鍋爐的核電高壓加熱器防雨擊裝置專利即是對承壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)改造）。僅見少數(shù)關(guān)于大型高壓加熱器的論文和專利報道，我國高校做了一些換熱設(shè)備數(shù)值模擬方面的探索。我國在高加等核電設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱力性能研究才剛剛起步，需要國家給予相應(yīng)的政策支持和高校科研機(jī)構(gòu)給予必要的配合支持，才能早日實現(xiàn)二代加，三代，甚至四代核電設(shè)備的國產(chǎn)化。5）尋找新型耐高溫高壓、具有良好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。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, 采用小旁路給水系統(tǒng) , 即每級高加可在臨一級高加旁路下運(yùn)行, 也可按大旁路給水系統(tǒng)設(shè)計。圖21 核電高壓加熱器模型剖開圖過熱蒸汽段是利用汽輪機(jī)抽出過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。在蒸汽凝結(jié)段，利用蒸汽冷凝時放出的潛熱加熱給水。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。 被凝結(jié)的液體以及通過疏水進(jìn)口管座進(jìn)入的附加疏水或從較高壓力加熱器來的逐級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。（也稱毛細(xì)管密封），以阻止蒸汽泄漏到該段內(nèi)。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。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。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。 (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，操作簡便，省時省力。同殼體一樣，需要布置一定的就地溫度計接管、就地壓力表接管、殼側(cè)化學(xué)清洗接管。對于核電設(shè)備，雖然循環(huán)用水已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格處理，但對管子以及焊縫的腐蝕是需要考慮的，采用SA803TP439不銹鋼換熱管。沿管束長度方向布置隔板，起到支承管子作用，在設(shè)計中還對整個管系進(jìn)行振動分析，防止在各種負(fù)荷工況下發(fā)生振動，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。管板下是高加的固定支點(diǎn)，近殼體尾部是滾動支承，當(dāng)殼體受熱膨脹時可沿軸向滾動。 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，有效地避免了對管子的沖刷。 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)識其在核電站二回路系統(tǒng)中的位置和功能。（3）按GB150—2011和GB151—1999進(jìn)行計算和強(qiáng)度校核。（5）參考國內(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管孔焊縫沖蝕，脹接一段30mm不銹鋼薄套管、對管板的“X”型不開孔設(shè)計、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。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。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。水室封頭形式、人孔、給水進(jìn)出口接管、分程隔板的設(shè)置，都將對高壓加熱器性能產(chǎn)生一定影響，下面分別簡述。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。當(dāng)水室直徑Dn ≤1100 mm時，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，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)。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。對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。 表21 橢圓封頭和球形封頭對比表水室結(jié)構(gòu)水室空間凈高水室高度封頭計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。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。圖21為水室直徑Dn = 1300 mm水室結(jié)構(gòu)簡圖。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。 水室接管設(shè)計一、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，以出口接管的計算為例即可。選用用德國牌號鋼管15NiCuMoNb564，該材料廣泛適用于高溫高壓給水接管。 開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計由于工藝的要求，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，還會因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患，因此壓力容器設(shè)計必須考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題。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所。其結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢測，因此補(bǔ)強(qiáng)效果較好。（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。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。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。 分程隔板設(shè)計將加熱前后的給水分開,承受瞬時沖擊,須保證密封性能?？紤]熱膨脹因素,高加水室中分程隔板的設(shè)置不盡相同。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。核電常規(guī)島高壓加熱器人孔門蓋為封閉型設(shè)計，不需太大的緊力來緊固，門蓋通過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,操作時可把緊固螺栓取下，將孔蓋取下。圖22 核電高加人孔結(jié)構(gòu)圖圓筒的計算工藝條件如下：設(shè)計壓力：有安全控制裝置，取設(shè)計溫度：焊縫系數(shù)：真空度可忽略不計計算壓力：材料：ASME標(biāo)準(zhǔn)SA516GR70，許用應(yīng)力a．計算厚度按下式計算，公式的適用范圍為。采用32mm鋼板卷制。e．許用外壓力根據(jù)圓筒材料選用相應(yīng)的厚度計算圖得：由圖可以判定為彈性失穩(wěn)，所以計算許用外壓力：滿足條件，不需圓筒上設(shè)置加強(qiáng)圈。加熱器常用的電動式、浮子式疏水水位調(diào)節(jié)器, 由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動作，易沖損腐蝕，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械卡澀失靈。圖23 核電高加水位調(diào)節(jié)示意圖汽液兩相流自動控制裝置的工作原理（1）裝置結(jié)構(gòu)本裝置由傳感信號管和調(diào)節(jié)器兩部分組成，見圖24, 圖中，1為信號管，2為入口節(jié)流閥，3為調(diào)節(jié)閥，4為旁路閥種裝置摒棄了目前一般液位控制系統(tǒng)采用的機(jī)械式和電氣式元件，它依據(jù)氣體動力學(xué)原理，利用汽液兩相變化的自調(diào)節(jié)特性，達(dá)到控制加熱器疏水的流量，從而保持水位穩(wěn)定，具有原理新、系統(tǒng)簡單，無活動機(jī)構(gòu)原件，無電氣控制元件，自調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)部件耐沖蝕力強(qiáng)，體積小，一般不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該裝置是由漸縮和漸擴(kuò)兩個噴咀組成，中間部分是環(huán)形空隙，信號管提供的調(diào)節(jié)汽就由此進(jìn)入和加熱器內(nèi)凝結(jié)的出口疏水在這里混合后排出，當(dāng)液位下降，疏水量減小， 則信號管內(nèi)有關(guān)通道面積發(fā)生變化, 使進(jìn)入調(diào)節(jié)閥的汽量增加, 排擠疏水的流動使疏水流通能力下降, 保證液位穩(wěn)定在一定的正常水位位置，反之，疏水量增加時，則通過信號管的調(diào)節(jié)流量減小，疏水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的流動能力增加，以達(dá)到控制水位，滿足工況變化的要求，原理示意如圖25[2]。寧德核電高加采用SA803TP439以防止?jié)裾羝h(huán)境對管束的沖蝕與損害，確保設(shè)備40年服役期間的安全運(yùn)行。換熱管的長度推薦采用：,。U型管彎管段的彎曲半徑圖26 U型管彎曲半徑大小示意圖U型管彎管段的彎曲半徑R應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑可按表22選。圖27 換熱管標(biāo)準(zhǔn)排列形式（2）換熱管排列形式換熱管標(biāo)準(zhǔn)排列形式見圖27。，對應(yīng)的中心距為22mm，考慮在管板上均勻布管，取21mm。拉桿與折流板點(diǎn)焊，用于換熱管外徑的管束，如圖29[13]。b. 拉桿直徑和尺寸根據(jù)換熱管外徑，選取拉桿直徑，其結(jié)構(gòu)連接尺寸見裝備圖。③ 定距管采用與換熱管相同的管子結(jié)構(gòu)。常用的折流板弓形（或稱圓缺形）和圓盤—圓環(huán)形兩種，弓形折流板有單弓、雙弓形和三弓形三種，如圖210[13]。寧德核電高壓加熱器采用雙弓形折流板，其優(yōu)點(diǎn)是：a) 在折流板間距和缺口相同的情況下，雙弓形折流板比單弓形折流板對流體壓降明顯減?。籦） 允許折流板間距減小，提高管子固有頻率，更好的防止因流體誘導(dǎo)振動引起的失效。在寧德核電高加的疏冷段，殼程為單相清潔流體，折流板缺口應(yīng)水平上下布置因液體中含有少量空氣等不凝性氣體，應(yīng)在缺口朝下折流板最高處開通氣孔，但為了更好的排氣以及緩沖熱應(yīng)力，采用折流板頂端與疏冷段頂板留出28mm間隔的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖211所示。＞，圓整后取最小間距為② 折流板最大無支撐間距換熱管無支撐跨距為。(4) 支持板管孔直徑：(5) 折流板數(shù)量 取整得防沖擋板a． 擋板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離，應(yīng)不小于接管外徑的1/4。示意圖見圖212。圖213 管板與殼程圓筒、管箱連接方式6種連接方式適用情況如表24所示。管板的布管方式為如圖214的三角形排列。核電選材還有一個特點(diǎn)需關(guān)注，對于受侵蝕與沖蝕的管道材料要求其耐抗氧化性和耐沖蝕性好，從而減輕流體沖蝕影響，保證核電設(shè)備的安全使用年限。由殼體和管子的溫度膨脹差在管板中引起的應(yīng)力為二次應(yīng)力。計算過程如表25所示。用先脹后焊連接時, 脹接的目的主要在于消除管與管孔之間的縫隙，以避免發(fā)生縫隙腐蝕。強(qiáng)度脹段、不脹段及強(qiáng)度焊段的區(qū)間長度如圖所示。圖217 管板邊緣開孔設(shè)計第三章 核電常規(guī)島高壓加熱器熱力性能研究蒸汽遇冷凝結(jié)、液體受熱沸騰時伴隨有相變的對流傳熱，其基本規(guī)律與單相對流傳熱有重大區(qū)別。蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，有兩種不同的凝結(jié)形式。這時，液膜層就成為傳熱的主要熱阻。實驗證明，幾乎所有的常用蒸汽，包括水蒸氣在內(nèi)，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結(jié)。在大多數(shù)工業(yè)冷凝器中，特別是動力冷凝器上，實際上都得到膜狀凝結(jié)。核電常規(guī)島高壓加熱器蒸汽冷卻段的熱力計算為膜狀凝結(jié)的分析與計算。高壓加熱器膜狀凝結(jié)的影響因素主要為一下四個：（1） 不凝結(jié)氣體在靠近液膜表面的蒸汽側(cè)，隨蒸汽的凝結(jié)，蒸汽分壓力減小而不凝結(jié)氣體的分壓力增大。因此，不凝結(jié)氣體層的存在增加了傳遞過程阻力。因此，在高壓加熱器的工作中，排除不凝結(jié)氣體成為保證設(shè)計能力的重要關(guān)鍵。實際上，這是過分保守的估計，因為上排管的凝結(jié)液并不是平靜地落在下排管上，而是在落下時要產(chǎn)生飛濺以及對液膜的沖擊擾動。（3） 蒸氣流速 努塞爾的理論分析忽略了蒸氣流速的影響，因此只適用于流速較低的場合，如電站冷凝器等。其影響又隨蒸氣流向與重力場向同向或異向、流速大小以及是否撕破液膜等而不同。（4） 蒸氣過熱度對于過熱蒸氣，只要把計算式中