核電站設備閘門的設計技術關鍵點.docx

10.2 設備閘門設計說明10.2.1 設計技術關鍵反應堆大型設備通過設備閘門運入安全殼，設備閘門為一法蘭型環(huán)狀閘門艙口，與安全殼鋼襯里相焊。艙口用一個帶有法蘭的大型封頭蓋閉，封頭法蘭用螺栓固定于艙口法蘭上。設備閘門為一法蘭型環(huán)狀閘門艙口，與安全殼鋼襯里相焊。艙口用一個帶有法蘭的大型碟形封頭蓋閉，封頭法蘭用螺栓固定于艙口法蘭上。封頭上有兩個吊耳，供拆裝封頭用。兩道法蘭之間設置雙道密封，在兩道密封之間的空隙內可以加壓氣體作氣密性試驗。設備閘門設計主要需要考慮，在基準事故工況和嚴重事故工況的溫度和壓力下，設備閘門仍然保持結構和密封的完整性。例如在基準事故工況下，發(fā)生蒸汽管道小破口、主蒸汽管道大破口等事件，事故后壓力達到0.42MPa，溫度局部達到150C，持續(xù)600秒，然后下降，要求設備閘門保持密閉和結構的完整性。設備閘門的承壓部件按壓力容器相關標準進行設計，從而能夠確保設備閘門承壓部件能夠承受基準事故工況和嚴重事故工況的溫度和壓力；而設備閘門的密封性是靠兩個壓緊在鋼法蘭之間的同軸彈性實心密封件來保證。為了能夠實現設備閘門在各種可能工況下的結構完整性和規(guī)定功能，在設備閘門設計過程中應考慮如下的技術關鍵：1）選材；2）結構設計；3）應力分析；4）鑒定試驗要求；5）制造和檢驗技術要求。10.2.2 設計技術關鍵的解決措施及技術儲備10.2.2.1 選材設備閘門的承壓部分采用的鋼材為歐洲壓力容器用鋼板標準EN10028的P265GH，對應的國產材料為20R。P265GH含有晶粒細化元素，除保證常溫性能外，還保證較高溫度下的力學性能，適用于蒸汽鍋爐設備、較高工作溫度的壓力容器及類似結構件。材料到場后，應根據技術規(guī)格書的要求做出材料復驗，材料復驗合格后，方可使用。設備閘門套筒的預埋件一般采用國標Q235B的鋼材，所用錨筋一般為圓鋼。設備閘門的密封圈是由高機械性能的硅橡膠制成。10.2.2.1 結構設計設備閘門由閘門封頭、閘門筒體、提升裝置和懸掛裝置等幾大部分組成。1）閘門筒體和封頭設備閘門筒體是鋼襯里上最大的附件，它由筒體套管、法蘭、加厚板、環(huán)筋板、錨固釘等部分組成，而閘門封頭是由橢圓形封頭、法蘭、吊耳、掛耳等部分組成。閘門筒體套管、法蘭、加厚板、環(huán)筋板與閘門封頭、法蘭都屬于承壓部件，按壓力容器相關規(guī)范進行設計，承受的載荷包括設計自重，設計壓力，安全殼設計基準事故工況最大溫度和嚴重事故工況最大壓力組合而成。閘門筒體和封頭之間通過螺栓緊固件進行連接。設備閘門筒體的加厚板是安全殼鋼襯里的連接件，和鋼襯里的連接方式為全熔透焊接。為了保證鋼襯里的整體密封性，需要對焊縫進行100%檢漏。為了避免焊接變形，在閘門套筒加厚板與鋼襯里焊接時，焊接應力引起的法蘭變形減小到最小以前，法蘭接合面不能被打開。設備閘門筒體的錨固釘用于將筒體固定于安全殼的混凝土層上，能把載荷和熱效應傳遞到混凝土。錨固系統的設計應按建筑鋼結構的相關規(guī)范進行設計，確定錨固釘的選型和布置方案。設備閘門封頭上安裝了2個吊耳和1個掛耳，其中吊耳用于提升吊起閘門封頭，而掛耳用于將閘門封頭懸掛在懸掛掛鉤上，因此吊耳和掛耳的結構強度應能夠滿足支撐整個閘門封頭的重量30t。在設備閘門封頭的起吊過程中，閘門封頭必須保持垂直狀態(tài)，因此需要控制閘門封頭的重心，確保閘門封頭在起吊和懸掛時能夠通過設備的重心，以保證設備閘門法蘭面的垂直、不傾斜。2）提升裝置和懸掛裝置設備閘門在核電站停堆維修期間，需要松開法蘭上密封的螺栓緊固件，通過設備閘門上方的起吊提升裝置，將設備閘門的封頭及鋼平臺部分吊起，并懸掛在懸掛裝置上，直到核電站核島內設備檢修完畢，所以設備閘門的重量必須控制在起吊裝置的額定范圍內。提升裝置和懸掛裝置屬于非核級設備，布置在安全殼外，其中起重機設備可按起重機相關規(guī)范進行設計，而懸掛裝置可按建筑鋼結構的相關規(guī)范進行設計。3）密封件設計設備閘門的密封性是靠兩個壓緊在鋼法蘭之間的同軸彈性實心密封件來保證，可用一個帶有快速接頭的軟管向其內部空間加壓來檢查密封性。密封性用一個可拆卸的測量裝置測量壓力的變化來檢查，在標高0.00m處閘門的控制柜內設置有一套完整的供氣系統，通過安全殼外部的且固定在門外的操作架上的一個銅管聯接到設備閘門上，從而可以檢查設備閘門的密封性。密封圈是由高機械性能的硅橡膠制成，抗拉強度極限大于750N/cm2，延伸率大于450%，抗剪切強度280N/cm2，能夠在200溫度下連續(xù)工作，而且具有較好的抗輻照性能，因而可以承受發(fā)生LOCA事故時的極端環(huán)境，保持設備閘門密封的完整性。10.2.2.1 應力分析1）設備閘門的應力分析和抗震分析為保證安全殼結構在各種事故工況下的完整性，采用ANSYS分析設計軟件對設備閘門進行三維實體建模，按照ASME第III卷NE分冊的要求進行結構應力分析評定。計算所考慮的載荷組合及使用限制見下表：工況條件載荷組合使用限制設計D、Pa、Ta設計正常D、Pa、TaA級異常D、Pa、Ta、OBEB級危急(1)D、Pa、Ta、SSEC級(2)D、Ps事故D、Pa、Ta、SSED級其中：D-自重，Pa-設計壓力、Ta-設計基準事故工況最大溫度、Ps-嚴重事故工況最大壓力上述各種工況載荷組合下的結構應力應小于下表所列的應力限值，以保證結構強度。對于溫度載荷產生的二次應力，若計算結構超出應力限值，可考慮按照ASMENE3228的規(guī)定進行簡化彈塑性分析，以考慮材料塑性對二次應力的釋放效應。地震（1/2SSE或SSE）和起吊操作不考慮同時發(fā)生。應分析1/2SSE或SSE對無負載的起吊裝置的影響，以確保這樣的地震不會再結構或部件上產生飛射物。2）設備閘門的屈曲分析對設備閘門進行屈曲分析，計算得到臨界屈曲壓力，將該數值乘以穩(wěn)定安全系數即得設備閘門的基本許用壓力。引起屈曲的載荷有兩種：壓力和溫度引起的熱膨脹。計算時，按每1MPa壓力升高100加載，計算得到設備閘門在壓力和溫度載荷組合作用下的屈曲特征值?？紤]到由于制造誤差導致的理論解與實驗結果的誤差，屈曲特征值乘以系數0.5。基本許用應力依據ASMEB&PVC規(guī)范第卷NE23222，穩(wěn)定安全系數取3，對設計、A級和B級使用限制，壓力限值取基本許用壓力；對C級使用限制，壓力限值取基本許用壓力限值的1.2倍；對D級使用限制，壓力限值取基本許用壓力限值的1.5倍。3）設備閘門的疲勞分析在異常工況下需要對設備進行疲勞分析評定，以保證設備在壽期內不會發(fā)生疲勞失效。設備閘門在運行期間經歷的瞬態(tài)工況比較多，屬于多事件的變幅疲勞問題。采用線性累積損傷準則來對設備進行疲勞評定?？刂聘鹘蛔儜Ψ睦鄯e損傷系數不超過1，即：4）設備閘門錨固件的應力分析設備閘門的錨固件分析時，可假定在所有工況下，設備套筒均處于彈性狀態(tài)，例如根據設備套筒應變確定其內力時，可采用屈服強度之內的彈性模量和泊松比用虎克定律求得。若設備套筒應力和導致的薄膜力大大超過單軸屈服強度，則可進行雙軸試驗來確定雙軸屈服強度。若完成雙軸試驗，在設計確認設備套筒處于塑性狀態(tài)時，則可確定錨固件載荷。10.2.2.1 鑒定試驗要求1）設備閘門的氣密性試驗設備閘門的氣密性試驗主要包括雙密封件的局部氣密性試驗（B類試驗）和安全殼整體氣密性試驗（A類試驗），試驗壓力為安全殼的設計壓力0.42MPa。雙密封件的局部氣密性試驗用一個帶有快速接頭的軟管向其內部空間加壓來檢查，從流量表上讀取流量即為該被試部件的泄漏率。如果泄露量在每105Pa相對壓力和每延米雙密封件不超過0.01Ncm3/s就認為是滿意的。安全殼整體氣密性試驗用于檢驗安全殼在密封性方面設計和建造的質量，評價失水事故時出現泄漏的風險，通過試驗查找出泄露的部位，進行必要的維修，以確保在正常運行和事故情況下，安全殼的泄漏率在規(guī)定的允許限值下。設備閘門要求處于關閉狀態(tài)。2）設備閘門的結構強度試驗核電廠運行前，安全殼系統必須進行一次規(guī)定壓力下的整體性試驗，以驗證其結構的整體性。試驗壓力取設計壓力的1.15倍，試驗溫度至少應比襯里材料的脆性轉變溫度高20度。要求設備閘門處于關閉狀態(tài)，需要觀測設備閘門的外觀質量，測量設備閘門的應變情況。3）提升系統的驗收試驗主要包括空載試驗、負載試驗（包括額定載荷試驗、1.4倍靜載試驗和1.2倍動載試驗）、安全保護裝置試驗以及噪聲、運行精度等檢查等。4）懸掛裝置的功能試驗應做到準確動作，防止負載跌落的鎖閉系統應操作靈活、動作可靠。5）閘門重心測量將封