核电站设备闸门的设计技术关键点.docx

10.2 设备闸门设计说明10.2.1 设计技术关键反应堆大型设备通过设备闸门运入安全壳，设备闸门为一法兰型环状闸门舱口，与安全壳钢衬里相焊。舱口用一个带有法兰的大型封头盖闭，封头法兰用螺栓固定于舱口法兰上。设备闸门为一法兰型环状闸门舱口，与安全壳钢衬里相焊。舱口用一个带有法兰的大型碟形封头盖闭，封头法兰用螺栓固定于舱口法兰上。封头上有两个吊耳，供拆装封头用。两道法兰之间设置双道密封，在两道密封之间的空隙内可以加压气体作气密性试验。设备闸门设计主要需要考虑，在基准事故工况和严重事故工况的温度和压力下，设备闸门仍然保持结构和密封的完整性。例如在基准事故工况下，发生蒸汽管道小破口、主蒸汽管道大破口等事件，事故后压力达到0.42MPa，温度局部达到150C，持续600秒，然后下降，要求设备闸门保持密闭和结构的完整性。设备闸门的承压部件按压力容器相关标准进行设计，从而能够确保设备闸门承压部件能够承受基准事故工况和严重事故工况的温度和压力；而设备闸门的密封性是靠两个压紧在钢法兰之间的同轴弹性实心密封件来保证。为了能够实现设备闸门在各种可能工况下的结构完整性和规定功能，在设备闸门设计过程中应考虑如下的技术关键：1）选材；2）结构设计；3）应力分析；4）鉴定试验要求；5）制造和检验技术要求。10.2.2 设计技术关键的解决措施及技术储备10.2.2.1 选材设备闸门的承压部分采用的钢材为欧洲压力容器用钢板标准EN10028的P265GH，对应的国产材料为20R。P265GH含有晶粒细化元素，除保证常温性能外，还保证较高温度下的力学性能，适用于蒸汽锅炉设备、较高工作温度的压力容器及类似结构件。材料到场后，应根据技术规格书的要求做出材料复验，材料复验合格后，方可使用。设备闸门套筒的预埋件一般采用国标Q235B的钢材，所用锚筋一般为圆钢。设备闸门的密封圈是由高机械性能的硅橡胶制成。10.2.2.1 结构设计设备闸门由闸门封头、闸门筒体、提升装置和悬挂装置等几大部分组成。1）闸门筒体和封头设备闸门筒体是钢衬里上最大的附件，它由筒体套管、法兰、加厚板、环筋板、锚固钉等部分组成，而闸门封头是由椭圆形封头、法兰、吊耳、挂耳等部分组成。闸门筒体套管、法兰、加厚板、环筋板与闸门封头、法兰都属于承压部件，按压力容器相关规范进行设计，承受的载荷包括设计自重，设计压力，安全壳设计基准事故工况最大温度和严重事故工况最大压力组合而成。闸门筒体和封头之间通过螺栓紧固件进行连接。设备闸门筒体的加厚板是安全壳钢衬里的连接件，和钢衬里的连接方式为全熔透焊接。为了保证钢衬里的整体密封性，需要对焊缝进行100%检漏。为了避免焊接变形，在闸门套筒加厚板与钢衬里焊接时，焊接应力引起的法兰变形减小到最小以前，法兰接合面不能被打开。设备闸门筒体的锚固钉用于将筒体固定于安全壳的混凝土层上，能把载荷和热效应传递到混凝土。锚固系统的设计应按建筑钢结构的相关规范进行设计，确定锚固钉的选型和布置方案。设备闸门封头上安装了2个吊耳和1个挂耳，其中吊耳用于提升吊起闸门封头，而挂耳用于将闸门封头悬挂在悬挂挂钩上，因此吊耳和挂耳的结构强度应能够满足支撑整个闸门封头的重量30t。在设备闸门封头的起吊过程中，闸门封头必须保持垂直状态，因此需要控制闸门封头的重心，确保闸门封头在起吊和悬挂时能够通过设备的重心，以保证设备闸门法兰面的垂直、不倾斜。2）提升装置和悬挂装置设备闸门在核电站停堆维修期间，需要松开法兰上密封的螺栓紧固件，通过设备闸门上方的起吊提升装置，将设备闸门的封头及钢平台部分吊起，并悬挂在悬挂装置上，直到核电站核岛内设备检修完毕，所以设备闸门的重量必须控制在起吊装置的额定范围内。提升装置和悬挂装置属于非核级设备，布置在安全壳外，其中起重机设备可按起重机相关规范进行设计，而悬挂装置可按建筑钢结构的相关规范进行设计。3）密封件设计设备闸门的密封性是靠两个压紧在钢法兰之间的同轴弹性实心密封件来保证，可用一个带有快速接头的软管向其内部空间加压来检查密封性。密封性用一个可拆卸的测量装置测量压力的变化来检查，在标高0.00m处闸门的控制柜内设置有一套完整的供气系统，通过安全壳外部的且固定在门外的操作架上的一个铜管联接到设备闸门上，从而可以检查设备闸门的密封性。密封圈是由高机械性能的硅橡胶制成，抗拉强度极限大于750N/cm2，延伸率大于450%，抗剪切强度280N/cm2，能够在200温度下连续工作，而且具有较好的抗辐照性能，因而可以承受发生LOCA事故时的极端环境，保持设备闸门密封的完整性。10.2.2.1 应力分析1）设备闸门的应力分析和抗震分析为保证安全壳结构在各种事故工况下的完整性，采用ANSYS分析设计软件对设备闸门进行三维实体建模，按照ASME第III卷NE分册的要求进行结构应力分析评定。计算所考虑的载荷组合及使用限制见下表：工况条件载荷组合使用限制设计D、Pa、Ta设计正常D、Pa、TaA级异常D、Pa、Ta、OBEB级危急(1)D、Pa、Ta、SSEC级(2)D、Ps事故D、Pa、Ta、SSED级其中：D-自重，Pa-设计压力、Ta-设计基准事故工况最大温度、Ps-严重事故工况最大压力上述各种工况载荷组合下的结构应力应小于下表所列的应力限值，以保证结构强度。对于温度载荷产生的二次应力，若计算结构超出应力限值，可考虑按照ASMENE3228的规定进行简化弹塑性分析，以考虑材料塑性对二次应力的释放效应。地震（1/2SSE或SSE）和起吊操作不考虑同时发生。应分析1/2SSE或SSE对无负载的起吊装置的影响，以确保这样的地震不会再结构或部件上产生飞射物。2）设备闸门的屈曲分析对设备闸门进行屈曲分析，计算得到临界屈曲压力，将该数值乘以稳定安全系数即得设备闸门的基本许用压力。引起屈曲的载荷有两种：压力和温度引起的热膨胀。计算时，按每1MPa压力升高100加载，计算得到设备闸门在压力和温度载荷组合作用下的屈曲特征值。考虑到由于制造误差导致的理论解与实验结果的误差，屈曲特征值乘以系数0.5。基本许用应力依据ASMEB&PVC规范第卷NE23222，稳定安全系数取3，对设计、A级和B级使用限制，压力限值取基本许用压力；对C级使用限制，压力限值取基本许用压力限值的1.2倍；对D级使用限制，压力限值取基本许用压力限值的1.5倍。3）设备闸门的疲劳分析在异常工况下需要对设备进行疲劳分析评定，以保证设备在寿期内不会发生疲劳失效。设备闸门在运行期间经历的瞬态工况比较多，属于多事件的变幅疲劳问题。采用线性累积损伤准则来对设备进行疲劳评定。控制各交变应力幅的累积损伤系数不超过1，即：4）设备闸门锚固件的应力分析设备闸门的锚固件分析时，可假定在所有工况下，设备套筒均处于弹性状态，例如根据设备套筒应变确定其内力时，可采用屈服强度之内的弹性模量和泊松比用虎克定律求得。若设备套筒应力和导致的薄膜力大大超过单轴屈服强度，则可进行双轴试验来确定双轴屈服强度。若完成双轴试验，在设计确认设备套筒处于塑性状态时，则可确定锚固件载荷。10.2.2.1 鉴定试验要求1）设备闸门的气密性试验设备闸门的气密性试验主要包括双密封件的局部气密性试验（B类试验）和安全壳整体气密性试验（A类试验），试验压力为安全壳的设计压力0.42MPa。双密封件的局部气密性试验用一个带有快速接头的软管向其内部空间加压来检查，从流量表上读取流量即为该被试部件的泄漏率。如果泄露量在每105Pa相对压力和每延米双密封件不超过0.01Ncm3/s就认为是满意的。安全壳整体气密性试验用于检验安全壳在密封性方面设计和建造的质量，评价失水事故时出现泄漏的风险，通过试验查找出泄露的部位，进行必要的维修，以确保在正常运行和事故情况下，安全壳的泄漏率在规定的允许限值下。设备闸门要求处于关闭状态。2）设备闸门的结构强度试验核电厂运行前，安全壳系统必须进行一次规定压力下的整体性试验，以验证其结构的整体性。试验压力取设计压力的1.15倍，试验温度至少应比衬里材料的脆性转变温度高20度。要求设备闸门处于关闭状态，需要观测设备闸门的外观质量，测量设备闸门的应变情况。3）提升系统的验收试验主要包括空载试验、负载试验（包括额定载荷试验、1.4倍静载试验和1.2倍动载试验）、安全保护装置试验以及噪声、运行精度等检查等。4）悬挂装置的功能试验应做到准确动作，防止负载跌落的锁闭系统应操作灵活、动作可靠。5）闸门重心测量将封