核电站高压氮气球罐的设计及制造

2022-09-11

当今世界, 科技日新月异, 能源紧缺和环境污染日益严重。核电作为一种清洁能源, 应用前景越来越受关注。高压氮气球罐作为核电站的重要组成部分, 主要用于储存和分配核电站运行时所需的高压氮气, 工作压力可达14.7MPa。故必须其从设计、制造、检验等方面综合分析, 达到技术先进、经济合理的目的。

现以台山核电站高压氮气储罐为例, 设计及制造可做如下方案。

1. 设计要求

1.1 同类设备及零部件尽可能统一, 以简化维修和零件更换工作。

1.2 设备寿命为60年, 在整个寿期内, 设备应保持其特性和功能。

1.3 设备应便于检查、拆卸和维修。

2. 设计参数

2.1 设计温度

《钢制化工容器设计基础规定》规定, 安装在室外无保温的容器, 且最低设计温度受地区环境温度控制时, 盛装压缩气体的储罐, 最低设计温度取月平均最低气温的最低值减3℃。因使用地为广东, 故最低设计温度取-10℃。

2.2 设计压力

因设备装有安全阀, 根据GB150规定, 装有安全阀的压力容器的设计压力应大于等于安全阀的开启压力, 故设计压力取16MPa。

2.3 腐蚀余量

氮气腐蚀速率按0.05mm/年考虑, 设计寿命为60年, 腐蚀余量取3mm。

3.结构选择与论证

因高压氮气球罐工作压力高, 宜采用两个半球形封头对焊而成。根据GB150, 焊接接头φ=1.0, 材料选用Q345R, 考虑到腐蚀余量、钢板厚度负偏差及制造减薄, 该半球形封头的最小厚度应大于等于62mm。

高压氮气球罐的进、排气口应布置在侧面, 顶部设置人孔用于检修。人孔采用自紧式密封结构, 底部设计排污口。压力表接管连接在出气口管道上, 安全阀安装在靠近顶部的位置。

3.1 封头的选择

从受力与制造方面分析来看, 半球形封头虽理想, 但深度大, 冲压较为困难;椭圆封头易于冲压成型, 但受力结构较差。综上分析考虑, 采用半球形封头较为合理。

3.2 人孔的选择:

考虑设备制造及内件安装, 宜采用内压自紧密封结构的人孔。半球形封头与人孔接管焊在一起, 牵制环和人孔盖用高强度螺栓与人孔接管连接, 人孔盖和人孔接管间装有金属密封垫。该结构设计简单、合理, 使用安全, 密封可靠。

3.3 管法兰设计

法兰接头是管法兰、垫片和紧固件的统称, 压力容器的许多事故是由于法兰或其它接头的密封失效, 介质泄露而酿成的, 为此管法兰接头设计按照《固定式压力容器安全技术监察规程》要求采用高颈整体法兰、带加强环的金属缠绕垫片和专用级高强度螺栓组合, 从而满足标准和使用要求。

3.4. 支座的选择:

高压氮气球罐为球形容器, 由两个半球形封头对焊而成, 采用裙式支座。裙式支座是用钢板卷制的圆筒形裙架, 把球壳托住。裙架与球壳相交而造成的球壳下部球心夹角一般为60°, 球壳由连续的圆环形垫板支撑在裙座上, 这种裙式支座重心较低, 支座较稳定, 支座与球体接触面较大, 能承受较大的载荷, 且消耗的金属材料较少。

4. 焊接设计

焊接设计是高压氮气球罐设计的重要组成部分, 应遵循以下原则:

(1) 选用焊接性能良好的钢材; (2) 尽量减少焊接工作量; (3) 合理布置焊缝; (4) 焊接施工及焊接检验方便, 减少工作量; (5) 有利于生产组织与管理。

根据以上原则, A类焊接接头采用双面U形坡口, 焊缝表面打磨至与母材平齐。该结构满足了接头的使用要求, 且焊接应力小, 操作容易实现。

5. 无损检测要求

高压氮气球罐A类焊接接头、人孔接管与壳体相焊的焊接接头和接管与接管、接管与法兰的B类焊接接头, 按JB/T4730.2进行100%RT检测, 检测技术等级不低于AB级, Ⅱ级合格;按JB/T4730.3进行100%UT检测, 检测技术等级不低于B级, Ⅰ级合格;其他安放式接管与壳体相焊的焊接接头应作100%UT检测, 检测技术等级不低于B级, Ⅰ级合格;以上焊缝和C、E类焊接接头按JB/T4730.4进行100%MT检验, Ⅰ级合格;通过以上检测项目, 保证产品既满足安全使用要求, 又有经济合理的制造成本。