某反应堆高温高压回路二回路过滤器的结构设计

周寅鹏 衣大勇 范月容 姚成志 石辰蕾 郭志家 彭朝晖

(中国原子能科学研究院 北京 102413)

高温高压瞬态综合试验回路（简称高温高压回路）是某反应堆应用研究平台建设内容之一。该回路建设的主要目的是为了提升某反应堆的科研应用能力，使其适用于核燃料和核材料的堆内辐照试验等要求。

其中，二回路系统为高温高压试验回路的中间回路，在正常运行工况下将主回路的热量连续不断的传递给三回路。回路中的冷却水由循环泵送入主热交换器，通过主热交换器将一回路水热量带出，并流入二回路热交换器，通过二回路热交换器，将热量传递给三回路冷却水，而后回到循环泵的入口，完成二回路的循环过程。

由于二回路为采用去离子水的闭式循环回路，故需要通过设置过滤器将二回路中冷却水的不溶性杂质过滤掉，以防止其进入工作介质对循环泵和其它设备造成损伤。根据功能要求及设计参数对二回路过滤器进行合理的结构设计，并依据相关规范对其进行强度校核，是完成二回路过滤器设计工作的主要内容。

1 设计参数

二回路过滤器的主要功能是过滤高温高压回路二回路系统中冷却剂的不溶性杂质，以防止其进入工作介质对循环泵和其它设备造成损伤,其主要设计参数见表1所示。

2 结构介绍

高温高压二回路系统过滤器设计为圆柱形容器，主要由连接法兰、接头组件、滤管组件、滤网、滤筒组件、卡箍及连接紧固件等结构组成。其最大法兰外径为Φ220mm，总长约640mm，总重约46kg，全部材质均选择为不锈钢S30408；两端分别为入口和出口，通过法兰与回路连接。

流体在入口侧通过法兰进入外套管与过滤管之间的间隙，随后通过滤管外壁上共300个Φ10mm孔进入滤管内部后再经法兰流出。滤管外壁包扎有两层80目不锈钢丝网，并通过3组卡箍分别用螺栓、螺母使不锈钢丝网与滤管固定。二回路过滤器结构示意图如图1所示。

3 结构分析

在本二回路过滤器的结构设计中，过滤器与管道为法兰连接，便于过滤器的安装与拆卸；过滤器的进、出水侧设计为锥形结构，减少流动了阻力；过滤管外壁采用两层80目不锈钢丝网包扎，并用卡箍通过螺栓、螺母固定以便钢丝网堵塞时进行更换；入口侧流体流经外套管与滤管间隙经滤网后进入滤管，最后通过法兰流出，以利于钢丝网与滤管外壁紧密贴合，在运行过程中，使其处于正常工作状态。

4 设计计算

本二回路过滤器的设计计算按照GB 150《压力容器》[1]进行常规计算与强度校核。

4.1 筒体直径确定

根据出口入口尺寸Φ60.3×3mm，选取异径接头公称尺寸为DN100×50（小端外径为Φ60.3mm、大端外径为Φ114.3mm，长度102mm）。选取容器的内径为Φ107mm，壁厚为4mm，由容器的总容积为0.004m3，计算得到筒体长度约为350mm。

4.2 焊接接头系数

选择焊接接头型式为全焊透焊接接头，100%无损检测，查GB 150 P13，取焊接接头系数φ＝1.0。

4.3 材料

过滤器有锻件、棒材、板材，材质为S30408。

查GB 150 P49得在150℃下，该材料的许用应力为137MPa。即设计温度为150℃，[б]t=137 MPa。

4.4 筒体壁厚计算

容器设计压力为1.6MPa。因为Pc=1.6MPa＜0.4[б]tφ=54.8MPa，所以：

计 算 厚 度：δ=PcDi/（2[б]tφ-Pc）=1.6×107/（2×137×1.0-1.6）≈0.63mm

式中：

Pc—设计压力，MPa；

Di—筒体内径，mm；

[б]t—设计温度下筒体材料的许用应力，MPa；

φ—焊接接头系数，取1.0；

C1—钢材厚度负偏差，查GB/T 14976，C1=0.4mm；

C2—腐蚀裕量，查《不锈钢资料手册》按30年计算，取0.8mm。

壁厚附加量：C=C1+C2=1.2mm

设计厚度：δd=δ+C2=0.63+0.8=1.43mm

名义厚度：δd+C1=1.43+0.3＝1.73mm，取δn=4mm

有效厚度：δe=δn-C=4-1.2=2.8mm

表1 二回路过滤器设计参数

图1 二回路过滤器结构示意图

4.5 筒体壁厚外压校核

设备验收合格后需进行抽真空操作，然后充入惰性气体，故须对容器进行外压强度校核。

由于D0/δe=115/2.8≈41＞20，且L/D0=410/115≈3.6，查GB 150 P100图4-2，可得外压应变系数A=1.44×10-3；查GB 150 P84表B.13，材料在150℃下的弹性模量为E=1.86×105MPa，根据GB 150 P103图4-8，可得外压应力系数B≈72MPa。

[p]=B/(D0/δe)=72/41=1.76MPa＞pc≈0.1MPa，故外压强度校核合格。

其中：

D0—筒体外直径，mm；

δe—筒体有效厚度，mm；

L—筒体计算长度，取两法兰与筒体焊接点之间的长度，mm；

[p]—许用外压力，MPa；

pc—计算外压力，MPa。

4.6 法兰和螺栓强度计算

查GB/T 9119－2000 《平面、突面板式平焊钢制管法兰》选用PN4.0MPa 标准的DN50法兰及PN1.6MPa标准的DN100法兰；查《机械设计手册》[2]选用六角螺栓M16×70及双头螺柱M16×110。由于采用标准法兰及螺栓，且使用工况满足标准使用条件，故无需进行强度计算。

5 压力试验

5.1 水压试验压力确定

本设备采用水压试验，按照GB 150-2011中4.6.2.2节式（5）确定试验压力：

PT=1.25P[б]/[б]t=1.25×1.6×137/137=2MPa

式中：

PT—试验压力，MPa；

P—设计压力，1.6MPa；

[б]—材料在试验温度（20℃）下的许用应力，137MPa；

[б]t—材料在设计温度下的许用应力，137MPa。

5.2 耐压试验应力校核

由于水压试验采用的试验压力未大于GB 150.1-2011中4.6.2.2节所规定的值，无需进行应力校核。

5.3 泄漏试验

水压试验合格后应进行氦气检漏试验。氦气检漏时，系统的灵敏度至少为1×10-10/Pa·m3/s，泄漏率不得超过1×10-6/Pa·m3/s，输出仪表及喇叭无信号发生即为合格，其试验条件、验收标准应符合GB150的相关要求。

6 结语

二回路过滤器是某反应堆高温高压试验回路二回路系统的主要设备之一，本文根据相关使用要求及设计参数，对该过滤器进行了结构设计，并按相关规范对其强度进行了常规计算，相关设计思路及计算方法可为类似设备的设计提供参考。

结构分析表明，该过滤器的结构满足设计要求，并兼具流阻小、结构简单、安装及检修方便等特点；强度计算结果表明，该过滤器的设计尺寸满足强度要求。