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核反应堆工程设计 1 10 8开孔补强设计 在压力容器上 由于各种工艺或结构要求 需要开孔或按装接管 开孔以后 一方面由于壁厚材料减少 引起容器强度的减弱 另一方面由于结构的连续性破坏 从而使开孔和接管处产生较大的附加弯曲应力 例如对于焊有接管管嘴的圆筒壳体 在壳体与管嘴连接处的内壁上 其最大应力值为一般薄膜应力的3 0 3 5倍 这种局部的应力增长现象称为 应力集中 此外 有时在接管上还有外部载荷所产生的应力和热应力 材质和制造的缺陷等各种因素 于是开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位 由于上述应力集中现象具有明显的局部性质 随着离孔边距离的增加 迅速衰减到正常部位的应力水平 实践表明如果适当加厚接管或壳体的壁厚 或二者同时加厚 并在结构上采取一些相应措施 则可以达到减小应力集中系数 提高容器强度的目的 这就是通常所说的 开孔补强设计 2 等面积补强的设计方法 3 需要补强的金属面积 圆柱壳 球壳 椭球壳 其中 接管内径 mm c 腐蚀裕量 mm T 壳体承受内压时所需的计算壁厚 4 在ABCD所围长方形内 有效补强宽度和长度分别为 和其中 壳体的实际壁厚 mm 补强板厚度 mm 外侧长度 mm 内侧长度 mm 接管实际壁厚 mm 和 它们是接管上的应力峰值的衰减半径的最小值 5 可以作为补强金属的面积共分为三部分 1 在补强范围内整个壳体上除去承受内压的计算壁厚及腐蚀裕量外 可作为补强金属的面积其值为 式中是接管外仲部分承受内压所需的计算壁厚 mm 2 在补强范围内 整个接管上除去内压所需的计算壁厚和腐蚀裕量外 作为补强金属的面积其值为 3 在补强区域内可以作为补强金属的焊缝面积 其值按焊缝的实际情况计算 6 等面积补强的具体设计步骤如下 1 按强度设计公式计算壳体与接管承受内压所需的计算壁厚T t 并确定腐蚀裕量c和开孔直径d 2 先假设壳体或接管补强后的实际壁厚和 并按前面的公式确定和 3 计算 并检验是否满足 如不符合 或余量不大 则重新假设和反复计算 接管和补强板的材料通常应与被补强的封头和简体材料相同 7 10 9法兰设计 法兰是容器及管道连接中的重要部件 它的作用是通过螺栓 垫片的连接和密封 使系统不发生泄漏 法兰设计包括垫圈设计 螺栓设计 法兰尺寸初步设计 应力分析和强度校核等几方面 8 1 垫圈 垫圈的作用是依靠螺栓的预紧力产生塑性变形以填补法兰面凹凸不平所造成的间隙 从而阻止流体泄漏 达到密封的目的 而水冷反应堆压力容器的密封要求很高 一般都采用 o 形环密封 具体结构形式有自紧式和克气式 自紧式 o 形环是在环的内侧有若干径向小孔 以便利用介质的压力给密封环加压形成自紧 从而保持良好的密封性能 这种形式的 o 形环可用于压力p 275MPa的高压容器 充气式 o 形环是在环腔内充入一定压力 p 3 4 7 4 10 3MPa 的惰性气体 使 o 形环在高温下保持良好的回弹性能 以达到高温密封的要求 o 形环的结构设计内容如下 9 1 管子的选择要求具有高强度 高弹性 有充分塑性和抗弯压扁能力 热和化学稳定性好 与法兰有相近的线膨胀系数 常用的是不锈钢和因树镍合金 2 管子外径的选取根据 o 形环的外径的大小由表选取管子的外径 3 管子壁厚的选取一般按介质性质和设计压力经验地选取壁厚 对于气体 轻液体采用厚壁管 取式中 管子壁厚 管子外径 轻水堆 o 形环外径与壁厚通常分别取12 7mm和1 27mm 而且对压力 0 7 275MPa的情况通常采用自紧式 o 形环 并根据不同介质和设计温度在管子外表而加以镀层 轻水反应堆 o 环一般镀上一层厚约0 1 0 15mm的银层 10 o 形环压紧前后的形状 11 o 形环及密封沟槽的尺寸 mm 12 4 密封沟槽尺寸的确定 o 形环承受压紧力前后的形状分别如上图所示 和一般垫片相似 o 形环也是依靠压紧力产生变形 从而产生回弹力使密封面达到密封要求的 因此压紧力的大小必须适宜 太小容易发生泄漏 太大则会把 o 形环压坏或压瘪 使其失去回弹能力 也会造成泄漏 压紧力的大小与 o 形环的压扁度有关 一般取式中 压紧前 o 形管子外径 mm 压紧后 o 形环高度 mm 13 o 形环密封沟槽的几何形状如下图所示 其几何尺寸可由查表得 也可按下列半径验公式计算 a 槽深h无镀层时有镀层时 式中 管子平均直径 mm 镀层厚度mm 14 b 沟槽外径 式中 o 形环变形前外径 mm c 沟槽内壁直径 mm 15 o 形环密封沟槽 16 2 螺栓设计 1 保证密封所需的力为式中q 比压 N m 由比压表查得 p 工作压力 pa D o 形环变形前平均直径 m 2 螺栓直径根据要求选取螺栓的材料 确定螺栓材料在设计温度下的许用应力 螺栓数n取为4的倍数 一般为48 60个 则螺栓直径 光杆部分直径 为 17 各种管材的比压和弹性回弹量 18 3 法兰尺寸的初步设计 1 锥颈尺寸锥颈的小端与壳体相连 其厚度与壳体的壁厚一致 即锥颈大端的厚度可用以下经验公式计算 锥颈高度一般取 19 法兰尺寸的初步设计 20 2 法兰环尺寸a 内径法兰环内径取为筒体内径 b 螺栓孔中心困直径一般螺栓节距为螺栓直径的 2 0 2 5 倍 因此c 法兰外径D式中d 法兰厚度 可采用经验公式计算式中 螺栓孔直径 21 10 10保温层设计 保温层又称绝热层 它的作用是减小压力容器内外壁的温差 从而降低热应力 减少热损失 以提高反应堆的热利用率 降低安全壳内的空间温度 以便于设备在役检查和辐射防护的管理 核电厂反应堆压力容器的保温层目前一般都采用反射型保温层 与以往实心保温材料不同 它是用多层抛光的金属箔按一定的间隙重叠起来组合而成 这样使辐射热在空隙中多次反射而减少辐射传热 此外 由于多层空气隙给对流 导热造成了障碍 从而达到保温目的 22 反射型保温层的结构大致可分三种 第一种是波纹式 它是由多层波纹金属箔重叠而成 第二种是平板式 它是由多层平板形金属箔按等距离平行排列而成 第三