CAP核电机组高压水过滤器壳体研制

孔海霞,景旭斌,李 源,卞向南,乔太飞,王 佳

(1.中国辐射防护研究院,太原 030006; 2.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233)

放射性水过滤器是保障核电机组安全稳定运行的重要设备之一,主要用来截留冷却剂回路中的活化腐蚀产物、悬浮固体小颗粒以及破碎的离子交换树脂,保持良好的水质控制,从而降低堆芯外辐射场的放射性积累,减少工作人员辐射剂量[1-4]。随着核电厂反应堆运行堆年的增加,该设备对维护反应堆安全运行和提高设施可利用率的重要性会更加突出。

在国家大力推动“碳达峰、碳中和”的双碳战略目标指引下,作为低碳清洁能源的核电的发展,正在积极安全有序推进。其中CAP系列核电机组为第三代核电技术中的革新型反应堆,CAP1000是我国在引进消化吸收美国西屋公司的AP1000的基础上,形成的国产化机组,通过再创新和集成创新,我国继续研发出了具有自主知识产权的CAP1400核电机组[5-6]。目前,国内已商业运行的AP1000机组有三门1/2号和海阳1/2号。2022年,国家批准新建6台CAP1000核电机组,分别为三门核电3/4号、海阳核电3/4号和廉江核电1/2号。以往AP/CAP系列核电机组放射性水处理用水过滤器都是依赖美国颇尔(Pall)公司采购,存在价格昂贵、供货周期长、售后不及时等问题,造成核电机组的运行成本增高,而且系统不可用风险增大,在机组安全稳定运行上容易出现被动局面。因此,进行CAP系列核电机组放射性水处理用水过滤器的国产化研制,解决核心技术和供货受制于人的问题,保证核电机组的安全稳定运行,具有十分重要且迫切的意义。目前,CAP系列核电机组用水过滤器的核心部件滤芯已经实现了国产化,详见文献《AP/CAP 系列核电机组放射性水处理用水过滤器滤芯的研制》[7]。本文根据非核级高压水过滤器的使用工况要求,进行了壳体及功能部件的设计、力学性能分析、无损检测以及水压试验,最终研制出安全可靠的国产高压水过滤器壳体。

1 水过滤器概述

水过滤器主要由壳体和滤芯组成,工作原理为:含固体颗粒的放射性水,从壳体上部进水口进入到滤芯内部,水中的微粒杂质被过滤介质截留,过滤后的水则透过介质流出,从而实现液体和固体颗粒物的分离。随着含固体颗粒水的不断过滤,滤芯所截留的微粒杂质越来越多,压差不断上升,当达到设定值后,就需要更换滤芯。采用内进外出型流道,不仅可以保证滤芯捕集到更多的带有放射性的微粒杂质,同时在移出和处置废弃的滤芯时尽可能减少带有放射性的微粒杂质的掉落损失。

核电机组的现场工况要求过滤器在任何时候都能在不需要任何准备和处理的情况下,均具有使流体以最大压力和全流量进入的能力,并投入运行。过滤器在处理放射性水时,随着滤芯所截留放射性颗粒的增多,过滤器的辐射剂量水平和污染水平逐步提高。因此,水过滤器安装在带有盖板的箱型钢屏蔽模块中,设置在操作地面以下,与地面的钢结构连成一体[8],形成良好的辐射防护屏蔽,如图1所示。

图1 放射性水过滤器和刚模块剖面示意图

2 壳体主要设计参数

CAP核电机组设置有化容系统(CVS)、乏燃料池冷却系统(SFS)、放射性废液系统(WLS)和放射性废固系统(WSS)共4个放射性水处理系统,配套有8台过滤器,其中CVS设置3个过滤器,均为高压过滤器,废滤芯为中放滤芯;SFS设置2个过滤器、WLS设置2个过滤器、WSS设置1个过滤器,这5个过滤器均为低压过滤器,废滤芯为低放滤芯。

水过滤器根据所执行的功能及其重要程度,属于非核级,设备分级为D级,核安全分级为NNS,严格按照标准ASME BPVC-Ⅷ—2007,2008补遗《锅炉和压力容器规范 第Ⅷ卷:压力容器建造规则 第1分册》[9]进行设计、制造和检验。CAP 核电机组所用的8台过滤器根据所属系统承压不同,分为高压过滤器和低压过滤器,本文主要针对高压水过滤器壳体,其主要设计参数如表1所示。低压过滤器和高压过滤器的结构完全相同,仅设计压力为1 MPa,可完全参照高压过滤器的研制思路进行设计、制造和检验。

表1 CAP核电机组高压水过滤器壳体主要设计参数

3 壳体的设计

非核级高压水过滤器壳体示意图和外形图如图2所示,包括筒体、接管、法兰盖组件、螺栓、滤芯保持架、压紧组件、吊耳、支撑管等。壳体通过三根支撑管固定于图1所示的屏蔽钢模块中。滤芯保持架的设计应保证滤芯悬挂于壳体内部,其四周及下部与壳体保持一定距离,工作时高压水可以从滤芯四周均匀流出,从而使过滤流量达到最大,过滤性能达到最优。此外,法兰盖上采用燕尾槽开槽方式来固定密封圈,这样在过滤器维修和更换滤芯时,密封圈可与法兰盖同时被移出,简化放射性操作流程。筒体、底封头、法兰盖、螺栓属于承压边界,需满足标准ASME BPVC-Ⅷ的强度要求,因此本文主要对此进行设计。

图2 CAP核电机组高压水过滤器壳体示意图和外形图

3.1 筒体设计

筒体采用整体式的无缝钢管,材质为SA-182M F304L。依据ASME BPVC-Ⅷ的A分卷 UG-27节,壳体所需最小厚度计算公式为:

(1)

式中,t1为壳体所需最小厚度,mm;P为壳体设计压力,MPa;R为壳体内部半径,设计值为108 mm;S为材料最大许用应力,依据ASME标准取值为115 MPa;E为纵向焊接接头系数,根据筒体的无焊接特征,取值为1。

计算得到筒体最小厚度值为22.62 mm,考虑筒体材料60年的腐蚀余量,在ASME B36.10M《焊接和无缝轧制钢管》[10]中选取壁厚为28.58 mm的标准钢管。

3.2 底封头设计

底封头采用材质为SA-182M F304L的不锈钢棒料加工制作。因钢制屏蔽容器模块为方形,为与其结构相匹配,底封头底部也为方形。依据ASME BPVC-Ⅷ的A分卷 UG-34节,底封头的最小厚度计算公式为:

(2)

式中,t2为底封头的最小厚度,mm;d为壳体内部直径,mm;C为与封头连接方法、壳体尺寸等因素相关的无量纲系数,计算值为0.261(根据ASME标准里对应的封头形式取值)。

计算得到底封头最小厚度值为47.58 mm,考虑预留的腐蚀余量,实际取值50 mm。

3.3 螺栓设计

螺栓采用材质为SA-540M Gr.B23 Cl.3的不锈钢棒料加工制作,设计参数如下:

a)螺栓连接接触面的总压紧载荷

Hp=2b×3.14GmP

(3)

式中,Hp为连接接触面的总压紧载荷,N;b为O型密封圈基本密封宽度,mm;G为O型密封圈反力作用点直径,234 mm;m为垫片系数。

计算得到螺栓连接接触面的总压紧载荷Hp为113.2 kN。

b)总流体静压端部力

H=0.785G2P

(4)

计算得到总流体静压端部力为919.8 kN。

c) 设计工况下螺栓所需的最小载荷

Wm1=H+Hp

(5)

计算得到设计工况下螺栓所需的最小载荷为1 033 kN。

d)O型圈压紧工况下所需的最小螺栓载荷

Wm2=3.14bGy

(6)

式中,y为螺栓连接接触面的单位压紧载荷,MPa。

计算得到O型圈压紧工况下所需的最小螺栓载荷为3.7 kN。

e)运行工况下螺栓螺纹根部或承受应力最小直径断面的总横截面积

(7)

式中,Sb为设计温度下螺栓许用应力,MPa。

计算得到运行工况下螺栓螺纹根部或承受应力最小直径断面的总横截面积为5 165 mm2。

f)O型圈压紧情况下螺栓螺纹根部或承受应力最小直径断面的总横截面积

(8)

式中,Sa为常温下螺栓许用应力,MPa。

计算得到O型圈压紧情况下螺栓螺纹根部或承受应力最小直径断面的总横截面积为18.5 mm2。

由上面的一系列计算得出Am1>Am2,所以螺栓所需的总横截面积Am取Am1的值,为5 165 mm2。标准的M42单个螺栓的断面面积Ab为1 082.2 mm2。为了保证螺栓总的断面面积大于其所需的总横截面积5 165 mm2,至少应选用5个以上数量的M42螺栓。在进行螺栓拧紧时,为避免顶盖受力不均,一般采用按顺序拧紧对称方位螺栓的方式进行操作,故应采用偶数个数的螺栓,同时考虑到提高密封圈受力的均匀性和螺栓压紧的安全性,最终设计使用8个M42螺栓。

3.4 法兰盖设计

法兰盖采用材质为SA-182M F304L的不锈钢板材加工制作。

依据UG-34节,法兰盖的最小厚度计算公式为:

(9)

式中,t3为法兰盖的最小厚度,mm;d为法兰盘直径,mm;C为与封头连接方法、壳体尺寸等因素相关的无量纲系数,依据ASME标准取值0.30;Pf为法兰盖不同状态下的承受压力,MPa;W为螺栓不同状态下的载荷,N;hG为垫片力矩臂,mm。

当法兰盖处于操作状态时,此时法兰盖承受压力P为21.4 MPa,螺栓总载荷W等于设计工况所需的最小螺栓载荷Wm1,为1 033 kN,计算得到法兰盖在操作状态下的最小厚度为80.98 mm。当法兰盖处于预紧状态时,此时法兰盖承受压力P为0 MPa,螺栓总载荷W=(Am+Ab)S/2,为359 kN,计算得到法兰盖在预紧状态下的最小厚度为34.9 mm。法兰盖需要为密封圈提供内凹的安装槽,综合考虑法兰盖的最小厚度取值为89 mm。

4 壳体力学性能

4.1 有限元模型

所设计的高压过滤器壳体的主要应力、应变区域集中在进出水管嘴和支撑管与筒体连接的角焊缝处,因此本文首先采用有限元分析软件ANSYS 14.0建立这几处的有限元模型,然后进行力学性能分析[11]。

依据水过滤器壳体的设计图,建立高压过滤器壳体管嘴的二维轴对称结构分析模型,采用8节点单元PLANE83进行划分,对承压部件(N1和N2管嘴区域)进行应力分析与评定,如图3中的a图所示。计算中,管嘴的二维轴对称模型将筒体部分等效为球体,并从保守角度模拟筒体端部的压力载荷,将筒体半径增大到原半径的1.5倍。建立高压过滤器壳体的三维结构分析模型,进行支撑管及其与筒体连接的角焊缝的应力分析与评定,如图3中的b图所示。该模型中,筒体、法兰和底封头采用SHELL181单元进行划分,实常数设置取各自厚度;对接管采用PIPE288进行划分,根据其管径尺寸设置截面属性;支撑管采用BEAM188进行划分,根据其截面尺寸设置单元截面属性,且与机械模块的重合段需考虑机械模块的刚度。

图3 高压水过滤器壳体的有限元模型

4.2 加载和约束边界条件

壳体进行有限元力学性能分析时考虑的载荷包括自重、内压、接管载荷和地震载荷。其中非核级高压水过滤器抗震等级为Ⅱ类,所承受的地震载荷为水平方向1.4g和竖直方向2.0g(g为重力加速度)。

管嘴的二维轴对称结构分析模型中,内表面施加内压载荷,在接管段施加接管载荷,模型的约束位置位于筒体下部边缘,如图4的a图所示。支撑管及其与筒体连接角焊缝的三维结构分析模型中,参考二维模型计算得到的最大接管载荷,在N1、N2和N3管嘴位置处加载接管载荷,对整体模型施加地震加速度,模型的约束位于支撑管末端,采用固定约束,如图4的b图所示。

图4 结构分析模型的加载和约束边界条件

4.3 应力评定分析

在管嘴二维轴对称结构分析模型上,对各承压部件施加设计压力载荷和外部机械载荷,进行应力评定。因为ASME BPVC-Ⅷ的 AD分卷和ASME BPVC-Ⅲ[12]的NC分卷都没有明确要求承压部件一次应力强度的评定分类,本文参考ASME BPVC-Ⅲ的NB-3227.5,在各载荷工况下,由内压及外部机械载荷导致的一次应力的分类根据补强区内外(本文的加厚管嘴区域)的不同划分为三个区域,如图5所示。对于补强区以外的评定截面ASN1采用Pm(总体一次薄膜应力强度)和Pm+Pb(一次薄膜加一次弯曲应力强度)类应力限制;对于补强区以内的评定截面ASN2采用PL(局部一次薄膜应力强度)类应力限制;对于筒体评定截面ASN3考虑评定结果需要包络筒体其他位置,保守采用Pm类应力限制。管嘴的一次应力云图如图6所示,显示了各种结构应力的分布情况,并在此基础上根据设计压力和外部机械载荷求解得到各种评定应力,且与相应应力限值的比值均小于1,完全满足结构完整性要求。

图5 管嘴部分应力评定区域划分

图6 管嘴的一次应力云图(MPa)

4.4 模态分析

对壳体三维结构分析模型进行模态分析,得到固有频率和结构振型。图7为壳体的前5阶固有频率振型图,主要变形为弯曲变形。其1阶固有频率大于33 Hz,满足标准对结构频率的要求。

图7 高压水过滤器壳体模态分析振型图

5 壳体性能检测

5.1 无损检测

根据ASME BPVC-Ⅷ-V的要求对过滤器壳体成品进行无损检测,所有焊接接头均进行100%射线检测和100%渗透检测。设备焊接完成后,首先进行焊缝外观表面检查,不得有气孔、夹渣、裂纹,焊缝余高应在要求范围。然后再进行焊缝探伤,若焊缝有缺陷,需返工重新焊接,必须满足要求。经检测,研制壳体所有焊缝及焊接坡口均合格。

5.2 水压试验

水压试验在过滤器壳体本体全部组装完成,所有受压部件的焊接和热处理完毕,无损探伤机有关检查项目均合格后进行。过滤器壳体法兰盖和筒体装配时,螺栓扭矩值约为1 000 N·m,采用对角方式拧紧螺栓,至少分三次操作达到全部扭矩值,且初次扭矩值不超过50%,第二次不超过80%。

水压试验按照 ASME BPVC-Ⅷ的要求进行。将壳体的出水口用加工的配套堵头进行封堵,排气管连接压力表,进水口连接打压泵对壳体进行打压,压力达到设计压力的1.25倍后,至少保压4小时,研制壳体焊接处无泄漏和渗漏,无可见的异常变形,检测时无异常响声,检测结果为合格。壳体水压试验图及保压过程如图8所示。

图8 高压水过滤器壳体水压试验

6 结论

按照标准ASME BPVC-Ⅷ—2007, 2008补遗《锅炉和压力容器规范 第Ⅷ卷:压力容器建造规则 第1分册》的要求,进行了CAP核电机组非核级高压水过滤器壳体的设计,并采用有限元分析软件ANSYS 14.0进行了承压部件、支撑管及其与筒体连接的角焊缝的应力分析,以及壳体成品的无损检测和水压试验,结果表明所设计制造的壳体结构合理,性能安全可靠,完全满足CAP核电机组非核级高压水过滤器壳体的使用要求。