摘 要： 目前核電站堆芯水箱供水監測采用的液位變送器主要采用美國西屋公司的產(chǎn)品，其設計標準均按照ASMEBPVC- III 《核設施部件構造規則》I 級部件中的要求進(jìn)行設計；美國西屋公司產(chǎn)品特點(diǎn)是體積大、抗震性能差；根據ASMEBPVC- III《核設施部件構造規則》設計規范，對核電站堆芯水箱窄量程液位變送器進(jìn)行了新的設計與探討。
引 言
美國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測的，其工作壓力為15.98MPa,工作溫度長(cháng)期為10 ℃，極端條件下如8級以上地震及海嘯等，工作溫度會(huì )出現峰值（288 ℃）,介質(zhì)為水。美國西屋公司產(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,屬高壓壓力設備，西屋公司這個(gè)產(chǎn)品的特點(diǎn)是在滿(mǎn)足ASME BPVC-Ⅲ的設計條件下又對它附加一定的設計余量，使其產(chǎn)品過(guò)于笨重、抗震性能差[1-3]，對抗極端外部自然災害導致事故發(fā)生的能力差，采用FEA有限元分析法對其應力分析，得知其抗震指標僅為58 Hz左右，遠遠達不到我國有關(guān)文件上的要求，故對其重新設計；根據HAF003-1991《核電廠(chǎng)質(zhì)量保證安全規定》及相關(guān)導則 [4-5] ，按照ASME BPVC-Ⅲ《核設施部件構造規則》Ⅰ級部件的要求進(jìn)行了設計和分析。
1 外筒承壓設計
設計原則應能滿(mǎn)足ASME BPVC-Ⅲ《核設施部件構造規則》中NB-3100和NB-3200款項中的要求[1] ，根據工作條件擬選外管1500LB，2 1/2"SCH80規格;法蘭選用3"1500LB RF [2] 。
1）工況參數。操作壓力為15.98 MPa。工作溫度長(cháng)期為10 ℃；極端條件下（如8級以上地震及海嘯等）工作溫度會(huì )出現峰值（288 ℃）。介質(zhì)為水（含極低微量硼元素）。外筒材質(zhì)為316LN/S-80S。
2）設計壓力及設計溫度。設計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規定，在計算中應采用設計壓力以表示滿(mǎn)足NB-3222、NB -3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2和NB3231中所有應力強度限制的要求。本文設計壓力值為17.2 MPa。設計溫度參照執行文獻[1]中NB-31112.2規定，文中設計溫度值為用戶(hù)給定值350 ℃。
3）確定腐蝕裕量。根據文獻[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316LN的年腐蝕量為0。
4）外筒承壓設計計算。設計方法按文獻[1]中NB-3641.1 受內壓直管。設計壓力所要求的#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為設計內壓，MPa；D 0 為管件外徑，mm ，設計時(shí)應采用不考慮公差的管件外競么計算；S m為設計溫度下材料#大許用應力強度，MPa（參見(jiàn)ASMEBPVC-ⅡD篇地衣分篇表 [6] ）；P y 為在特定系數下的壓力值,其值p y =py（文中系數y=0.4，見(jiàn)ASME BPVC-ⅢNB-3641.1（c）[1] ）。
5）選擇外筒管材規格。根據計算結果t m =6.011 mm,參照ASME B36.19M《不銹鋼鋼管》[7]選擇2 1 / 2 " SCH80的管材，其名義壁厚為7.01 mm＞計算厚度6.011 mm,箂hou隳藶閔杓埔螅ㄈ繽?）。
6）計算外筒的許用應力。上面所選的外筒管材的實(shí)際承壓能力必須大于設計壓力。根據已經(jīng)選好的管材規格2 1 / 2 "SCH80，計算#大許用應力 [1] ：
式中：S m =105 MPa （設計溫度下的許用應力，參見(jiàn)ASME-Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能 [6] ,S m #大值為124 MPa，為了更安全，計算時(shí)取105 MPa）；t=7.01 mm；D 0 =73 mm；y=0.4（系數，見(jiàn)文獻[1]中的NB-3641.1）。
7）焊縫及坡口設計。如圖2所示，該筒體上有兩道同軸對焊縫，按照文獻[1]中NB-4245和NB-4250的要求，焊道設計成全焊透焊縫如圖3所示。兩道焊道在全我公司自動(dòng)氬弧焊專(zhuān)機上一次完成，能得到優(yōu)良的焊接接頭，其RT檢測可保證100%。
2 磁浮子設計
設計原則應能滿(mǎn)足文獻 [1]中NB-3100和NB3200的要求；根據上述結果設定磁浮子外徑尺寸為52 mm。
2.1 工況參數
工況參數見(jiàn)第1節，取其#大值。
2.2 設計壓力及設計溫度
設計壓力按文獻[1]中NB-3112.1規定，在計算中應采用設計壓力以表示滿(mǎn)足NB-3222、NB-3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2 和NB3231中所有應力強度限制的要求。本文設計壓力值為17.2 MPa。
設計溫度參照執行文獻 [1]NB-31112.2規定，在要求采用規定的使用壓力所進(jìn)行的所有計算中，應采用所考慮部位的實(shí)際金屬溫度，文中設計溫度值為用戶(hù)給定值350 ℃。
2.3 磁浮子結構尺寸設計
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(cháng)期正常工作液面為10 ℃、密度為1.0 g/cm 3 ，此時(shí)浮子入水高度為346 mm; 當出現極端狀態(tài)時(shí)288℃、密度為0.74 g/cm 3 ; 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 磁浮子承壓計算
shou先算出系數A=0.125 /（R / T）= 0.125/（24.8/1.2） =0.006。 式中：R為球殼內徑，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A-B表,根據TC4彈性模量求得系數B=43×10=430。用下式求得#大允許外壓：P a =BR/T=430/ （24.8/1.2）=20.8 MPa，高 于 設 計 壓 力（17.2MPa）。
根據計算結果得知磁浮子結構尺寸合理可用,適合外筒設計的工作條件。
2.5 介質(zhì)溫度的變化與量程補償曲線(xiàn)
本磁浮子是按長(cháng)期正常工作條件10 ℃、1.006 g/cm3 標定的，當出現極端條件如八級以上地震時(shí),反應堆的冷卻水會(huì )進(jìn)入到儀表工作區，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)密度也相應變化為1.0069 ~0.7507 g/cm 3 ; 磁浮子是按#大密度設計的，所以當工作溫度變化到288 ℃時(shí)，由于密度的變小儀表的輸出數據也要有所變化，變化差為121 mm。介質(zhì)溫度與密度對應的曲線(xiàn)關(guān)系如圖5所示，溫度與量程補償曲線(xiàn)如圖6所示。
3 與美國西屋公司同類(lèi)產(chǎn)品抗震載荷分析對比
抗震載荷測試是核反應堆上一項重要性能指標，參照美國的ASME NQA-1-2004核設施質(zhì)量保證大綱要求 [2] 中地震試驗要求，在未加固定支架情況下，對產(chǎn)品的上下部位施加6g載荷和相應的力矩載荷，載荷震動(dòng)頻率5~100 Hz,運用FEA有限元應力分析法進(jìn)行應力和頻率分析對比，如表1所示。
從表1可以看出美國西屋公司的產(chǎn)品遠遠達不到載荷震動(dòng)頻率要求，實(shí)驗中要求載荷震動(dòng)頻率#大能達到100Hz，可是該產(chǎn)品只能達到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)頻率可以達到199.54 Hz，其性能明顯優(yōu)于美國西屋公司的產(chǎn)品。
4 制造與工藝
壓力儀表圓形對接頭均通過(guò)專(zhuān)機實(shí)現自動(dòng)化焊接，使產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量均能達到100%Ⅰ級焊縫。
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