主回路热交换器结构优化设计
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摘 要：HTHP瞬态综合试验回路作为CARR堆的应用研究平台之一，主要是为了提升CARR堆的科研应用能力，以满足核燃料和核材料的堆内辐照试验要求。本文根据相关规范和标准及结构要求设计出一套满足主回路工艺系统要求的关键设备—主回路热交换器，论文介绍了主回路热交换器的类型和用途，通过结构优化设计和强度核算，结果表明，设计的套管式换热器满足换热和相关设计标准的要求，具有结构简单、安全可靠、制造、安装、清洗和维修方便和经济性好等优点。
关键词：主回路热交换器 结构优化设计 强度核算
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）06（c）-0022-02
1 引言
主回路系统是HTHP瞬态综合试验回路的一个重要系统，主回路热交换器作为主回路系统的重要非标设备，在正常运行工况下，将燃料棒束产生的热量传给二回路冷却水;通过调节流经主回路热交换器主回路冷却剂流量和二回路冷却水流量实现主回路冷却剂出口温度的调节，使主回路运行参数控制在要求范围内。本文设计了一套用于主回路系统中的并联套管式换热器。
2 设计标准规范及设计原则
2.1 设计标准规范
（1）NB/T 20003-2010《核电厂核岛机械设备无损检测》。
（2）EJ/T564-2006《核电厂物项包装、运输、装卸、接收、贮存和维护要求》。
（3）EJ/T1027-1996《压水堆核电厂核岛机械设备制造规范》。
（4）EJ/T1041-1996《压水堆核电厂核岛机械设备在役检查规则》。
（5）TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》。
（6）GB 150-2011《压力容器》。
（7）GB /T151-2014《管壳式换热器》。
（8）GB/T97.1-2002《平垫圈A级》。
（9）GB/T9112-2000《钢制管法兰类型与参数》。
（10）GB/T14976-2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》。
（11）NB/T47010-2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》。
（12）NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》。
（13）NB/T47013-2015《承壓设备无损检测》。
（14）NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》。
（15）NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》。
（16）NB/T47018-2011《承压设备用焊接材料订货技术条件》。
（17）GB13296-2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》。
（18）NB/T47019-2011《锅炉、热交换器用管订货技术条件》。
（19）GB/T2102《钢管的验收、包装、标志及质量证明书》。
（20）GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板和钢带》。
（21）GB/T9115-2010《对焊钢制管法兰》。
（22）RCC-M 2000+2002年补遗《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》。
2.2 设计原则
安全可靠，按设计规范及标准进行设计;结构简单合理;材料的规格和质量应符合国家标准。
2.3 设备等级划分
设备为核安全二级，SC-2;质保等级：QA1;抗震类别：I类。
3 设备描述
主回路换热器为立式套管式换热器，其三维模型图见图1，由一次水联箱组件、换热腔组件、二次水进出口分配器组件及接管等零部件组成。换热主体由若干个套管式换热器并联组成，温度高的一次水经一次侧入口联箱分流后，流经各U形换热管内，再经一次侧出口联箱流入一次侧主管道系统;二次冷却水由二次侧入口分配器经分流后，流经换热管与套管环隙，再经二次侧出口分配器流入二次侧主管道系统。一次冷却水和二次冷却水的换热方式为单管程单壳程完全逆流换热。
4 结构设计特点
通过结构设计，主要确定零部件及连接方式和根据热工计算确定主要零部件的尺寸。
4.1 换热腔组件
作为换热主体，套管式换热腔组件主要由换热管、U形膨胀节和异径三通等组成。一次水走换热管内部，二次水走换热管与套管环形通道，两者完全逆流换热。
换热管符合GB13296-2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》及GB /T151-2014《管壳式换热器》相关规定。内换热管在满足前述要求的前提下，还应满足相关换热管技术条件的规定。换热管为整根无缝钢管，采用整根弯制，不存在纵向焊缝和环向焊缝，以保证换热器的强度满足运行要求，其制造、检验与验收按RCC-M 2000《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》的要求执行。
采用U形膨胀节，作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件。它有工作可靠、性能良好、结构简单、紧凑、制造容易等优点。与外套管连接采用对接焊，膨胀节本身的环焊缝均采用全熔透结构，并进行100%的射线探伤。 设计的换热腔组件在结构方面具有以下三个特点：（1）U形换热管：采用整根弯制，U形弯头自由伸缩实现完全热补偿，减少热应力。（2）U形膨胀节：自由伸缩的挠性构件，利用其弹性实现部分热补偿，减少热应力。（3）异径三通：避免应力集中和外套管开孔焊接结构。
4.2 一次侧联箱组件
联箱是主回路热交换器的关键部件，一次侧联箱组件由封头和联箱两个零件通过焊接组成。为保证进出口联箱的强度和质量，为了防止泄露和提高密封性，联箱采用整体锻件结构，这种结构也有利于减小流体阻力。平盖封头结构简单、制造方便，但厚度较大。换热管与联箱焊接连接，其质量应符合RCC-M 2000《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》第II卷材料篇及相关技术条件等的要求。
4.3 二次侧分配器组件
二次侧分配器组件优先考虑封头管箱，承压能力强，主要由母管、堵头、管接头和法兰等焊接而成，作为二次水进口均匀分流和出口汇流的空间，其在结构上有利于承压介质均布。二次侧分配器组件与换热腔组件采用法兰连接，这样便于拆装，有利于进行水压试验和泄露试验等。
5 强度核算
依据RCC-M 2000 +2002年补遗《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》的C3324相关章节，对换热腔组件的换热管厚度、换热管弯管厚度、外套管最小厚度、二次水接管最小厚度，联箱组件的联箱最小厚度、联箱封头壁厚，二次侧分配器组件的筒体最小厚度、圆形封头最小厚度进行了核算，结果表明均满足要求，开孔补强根据RCC-M 2002中C3332的规定，由于开孔直径32mm≤50mm，所以不需要开孔补强。支撑满足RCC-M中C3363 的要求。
6 结语
（1）本文通过合理选取主回路换热器型式，使其满足设计功能性要求和换热需求，设计的并联套管式换热器具有结构简单、制造、安装、清洗和维修方便、安全可靠及经济性好等优点。
（2）进行了结构设计和强度核算，设计的主回路热交换器能够满足RCC-M 2000《压水堆核岛机械设备设計和建造规则》等的要求。
参考文献
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