CN107250665A - 蒸汽发生器冷却剂集管及其制造方法 - Google Patents

蒸汽发生器冷却剂集管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力行业，并且可用于具有水冷、水慢化反应堆的核电站的卧式蒸汽发生器中。被要求专利权的是一种用于蒸汽发生器的主回路冷却剂的集管，其具有水平热交换管束的U形管且形式为厚壁焊接式容器，其具有：穿孔的圆筒形中央部分，在该中央部分安装和紧固有U形热交换管管束，所述热交换管形成为管组并且在管束内被竖向管间通道分隔开；圆筒形下部部分，其被焊接为固定在蒸汽发生器壳体上；圆筒形上部部分，其具有用于检视孔与盖子之间的法兰连接部的锥形过渡结构。其中，用于紧固热交换管的孔以棋盘模式设置在集管的圆筒形中央部分中，使得在集管的内表面上相邻孔的边缘之间的水平距离至少为5.5mm。本发明的技术效果在于提供了集管壁中的孔之间连接部的强度。

Description

蒸汽发生器冷却剂集管及其制造方法
技术领域
本发明涉及电力行业，并且可以在用于具有水-水能量反应堆(VVER)的核电站(NPP)的卧式蒸汽发生器中使用。
背景技术
蒸汽发生器是反应堆设备主回路的主要构件。主回路冷却剂集管与热交换管束的连接部又是对于制造来说最为复杂的蒸汽发生器组件。对该组件强加了高回路间密度要求。这意味着，如果热传递构件和其它构件的密封性损失引起主回路放射性水进入循环经过NPP反应堆设备的涡轮、冷凝器、加热器和其它类似结构件的副蒸汽-水回路冷却剂而可能向环境释放放射性物质，则冷却剂集管连接组件设计应当排除热传递构件和其它构件损坏的可能性。
在卧式蒸汽发生器中使用的主回路冷却剂集管通常是厚壁式的圆筒形容器，所述容器的直径和厚度沿着所述容器的长度变化。集管的圆筒形中央部分具有用于紧固热交换管的端部的通孔。集管的圆筒形下部部分被设计成可以与蒸汽发生器容器的连接管进行焊接，并且集管的圆筒形上部部分配备有用于到达内部的孔(检修孔)且具有用于检修孔与其盖子的法兰连接部的锥形适配器。
在蒸汽发生器运转期间可能出现的主要问题涉及法兰连接部的结构完整性和主回路冷却剂集管的结构完整性的提供。
从技术观点看，蒸汽发生器制造期间的最耗费劳动力和复杂的操作是热交换管束与主回路冷却剂集管的连接，包括在集管侧壁的有限面积上钻出大量紧密地间隔开的深通孔然后将热交换管密闭地插入其中。大量紧密地间隔开的深通孔降低了集管的强度，从而限制了可以放置在具有指定侧壁厚度的蒸汽发生器中的热交换管的数目，并且如果热交换管的数目增加，则需要显著增大集管侧壁的厚度。
在现有技术中上述问题以不同方式来解决。
因此，公布于1996年1月10日的苏联发明人证书号1267847(IPC：F22B1/02)中公开了一种解决法兰连接部的结构完整性的问题的方法，其描述了一种包括主回路加热冷却剂集管的蒸汽发生器组件，所述冷却剂集管具有位于形成环形区域的蒸汽发生器容器颈部中的法兰连接部。在将颈部的上腔与容器的其余部分分隔开的区域中安装有紧急主回路加热冷却剂流阻拦装置，并且该阻拦装置被设计为具有呈向下渐缩的楔形部的形状的截面的密封环。
公布于2009年7月10日的俄罗斯实用新型专利No.84491(IPC F16J15/12)中公开了在NPP反应堆设备组件中使用的另一种密封装置。由两个L形截面组成的密封垫片利用其间的由挤压膨胀式石墨箔制成的密封元件分离挡圈。当将膨胀式石墨箔垫片用于密封组件的圆筒形表面和端面两者时，在密封组件中使用膨胀式石墨箔垫片能够降低反应堆设备主回路冷却剂泄漏的概率。
公布于2014年4月27日的俄罗斯专利No.2514359(IPC B23B35/00)中描述了用于蒸汽发生器集管、管板以及核与石油化工设备的其它设施构件中的深通孔的加工技术。该方法包括使用由钻头和钻杆组成的钻具初步钻孔。同时，在至少4MPa的压力下将切削流体给送到机加工面与钻具之间的间隙中，并经由钻头和钻杆的内部通道通过切削流体流来去除碎屑。通过安装在同一钻杆上的铰刀进行表面的最终加工，同时经钻孔沿铰孔方向向前去除碎屑。从孔移开铰刀与孔表面的抛光相结合，同时铰刀以超过铰孔期间的旋转速度高达4倍的速度旋转，并且铰刀移开速度超过工作进给速度5％至7％。该方法的使用允许除去具有残余拉应力的表面层，降低孔表面粗糙度，提高热交换设备连接部的运转可靠性。
公布于2014年7月27日的俄罗斯专利No.2524461(IPC B21D39/06)中公开的另一发明解决了热交换管在管状的蒸汽发生器集管中的紧固问题。根据所述发明，管端部在集管的内表面上预胀接/膨胀，各管被焊接，执行集管厚度内的液压胀接，前端如果在内表面附近的区域中胀接，则然后在集管的外表面附近的区域中进行机械扩口。管前端利用驱动轴上的转矩限制、借助3辊胀接机进行机械轧制而胀接。然后执行一次或二次过渡液压胀接。机械轧制区域与液压胀接区域之间的直径差应当保持高达热交换管外径的0.75÷1％。本发明的应用提高了连接部的可靠性和耐久性。所描述的方法相当耗费劳动力并且仅涉及一次热交换管在集管中的紧固操作，并且不涵盖整个VVER NPP卧式蒸汽发生器主回路冷却剂集管的制造和组装过程。
所提出的技术方案的最接近类别为公布于2003年7月10日的实用新型专利RU30928(IPC：F22B1/02)中公开的技术方案。该实用新型涉及用于蒸汽发生器的制造工艺，所述蒸汽发生器包括容器以及具有入口和出口主回路冷却剂集管的热交换组件，所述集管具有与其连接的水平热交换管束。水平热交换管分别以(1.44÷-1.55)·d和(1.35÷-1.40)·d的水平和竖向相对间距安装，其中d是管直径。所述用于热交换管安装的间距范围适用于热交换管束的紧密布置而不受限制，然而仍未解决在热交换管束的所述紧密布置的情况下热交换管位于冷却剂集管中的问题。亦即，如果根据该实用新型将热交换管的紧密布置与水平间距1.44·d和竖向间距1.35·d联用，则无法确保冷却剂集管穿孔区段的强度以及无法确保在热交换管束组的形成期间将热交换管容易地插入集管中。
发明内容
要求专利权的发明的目的在于形成一种卧式蒸汽发生器组件，其包括具有U形热交换管的管束的主回路冷却剂集管，同时能够维持集管强度、热交换管在集管中的紧固的密封性和加工性能，并且改善蒸汽发生器热交换管填充水平。
本发明的技术效果在于，在集管穿孔区段的外表面以最高效率用于管插入的同时，保证了用于安装热交换管的孔之间的集管壁交叉连接的强度和热交换管与集管之间的连接密封性。
为了解决目前的任务，我们要求一种具有水平热交换管束的U形管的蒸汽发生器主回路冷却剂集管的专利权，所述集管被设计为具有穿孔的中央部分、圆筒形下部部分以及圆筒形上部部分的厚壁焊接式容器，所述中央部分被设计成允许U形热交换管束安装和紧固在其中，其中所述管被分组成管组并且通过竖向管间通道分隔开，所述圆筒形下部部分被设计成允许与蒸汽发生器容器连接管进行焊接，所述圆筒形上部部分具有用于检修孔与盖子的法兰连接部的锥形适配器，其中所述中央部分中的主回路集管外径Dhead是基于以下比率选择的：
其中：Sh是水平热交换管束排中的热交换管之间的间距，mm，
B2是与冷却剂集管相对的热交换管束的宽度，mm，
d是热交换管的外径，mm，
n1和n2分别表示较小的和较大的热交换管组的水平排中的管的数量，mm，
Rh是热交换管束的最小弯曲半径，mm，前提是用于紧固热交换管的孔在集管的圆筒形中央部分中交错布置，并且相邻孔的边缘之间的距离沿集管的内表面不小于5.5mm。
冷却剂集管容器的内表面上的孔边缘之间的距离至少为5.5mm，这允许沿其整个周长焊接热交换管端部，从而确保连接的密封性/无泄漏性。
固定在集管侧壁上的孔中的热交换管是无缝的整体拉制奥氏体不锈钢管。
热交换管束的热交换管利用宽度为100至250mm的竖向管间通道分组成管组。
热交换管束以相邻管之间的竖向间隙不超过管束中的管的竖向间距的方式从底部向上连续地填充有热交换管。
集管容器的圆筒形中央部分中的孔从底部至顶部填充其外表面并形成钻孔区域。在外径上的集管发展上，所述钻孔区域在底部受形状为对称楔形部的多段线限制。该楔形部包括具有水平截面的平坦部位。水平截面尺寸为至少3(dhol+6)mm。水平截面的可用性和尺寸被选择成由于集管中的较低残留应力而满足蒸汽发生器可靠性要求。成形为尖楔形部的钻孔区域可以形成应力梯级，即有助于集管容器中的裂纹萌生，因此，在要求专利权的集管设计中不使用所述尖钻孔区域构型。
带盖子的检修孔法兰连接部配有膨胀的石墨垫片，特别是热膨胀的石墨垫片，所述石墨垫片被设计成利用不锈钢带增强的压制石墨箔环。使用热膨胀的石墨垫片密封的法兰连接部允许减小法兰连接部上的预加载力度并改善冷却剂集管受压状态。
要求专利权的发明的第二目的是一种用于具有水平热交换管束的U形管的蒸汽发生器主回路冷却剂集管的制造方法，该制造方法包括：预制两个复杂的锻件和U形的热交换管；组装和焊接所述锻件；在集管圆筒形中央部分中钻出通孔；组装被分组成管组并通过管束中的竖向管间通道分隔开的U形热交换管的热交换管束；通过在集管内表面上轧制和焊接来将各热交换管紧固在主回路集管孔中，其中基于以下比率来选择中央部分中的主回路集管外径Dhead：
其中：Sh是水平热交换管束排中的热交换管之间的间距，mm，
B2是与冷却剂集管相对的热交换管束的宽度，mm，
d是热交换管的外径，mm，
n1和n2分别表示较小的和较大的热交换管组的水平排中的管的数量，mm，
Rh是热交换管束的最小弯曲半径，mm，前提是用于紧固热交换管的孔在集管的圆筒形中央部分中交错布置并且相邻孔的边缘之间的距离沿集管的内表面不小于5.5mm。
根据要求专利权的方法，通过将管端部全周焊接到集管的内表面上来将热交换管固定在集管的圆筒形中央部分中的孔内，接着使热交换管在集管壁厚上液压胀接并且在集管的外表面附近进行机械卷边直至集管容器与插入其中的热交换管之间的间隙闭合。
热交换管束以相邻管之间的竖向间隙不超过管束中的管的竖向间距的方式从底部向上均匀地填充热交换管，当集管安装在蒸汽发生器容器中时，其钻孔区域的高度不应当超过针对蒸汽发生器中的热交换管束的上排管设定的布置极限。
当冷却剂集管与待插入在集管的中央部分中钻出的孔内的热交换管束一起组装时，热交换管弯曲半径应当至少为60mm，并且优选至少为100mm。增大的弯曲半径允许将电磁探针插入各热交换管中以进行管完整性和连接品质的涡流检测。执行热交换管完整性和热交换馆与冷却剂集管的连接品质的100％涡流检测的可能性提高了蒸汽发生器性能、可靠性和耐久性。
为了确保满足冷却剂集管强度要求，另外要求当在集管圆筒形中央部分中钻孔时，钻孔区域外表面超过孔面积至少20％。
要求专利权的发明允许在技术效果实现的范围内选择冷却剂集管外径。所推导的集管直径范围的下限值仍可以保证集管中的管紧固(其中，管端部在集管容器的外表面上被全周焊接到集管上)的可操作性及其强度。集管直径范围的上限值允许保证蒸汽发生器组装的可操作性，即，将全部热交换管束的管插入冷却剂集管孔内的可能性。
附图说明
图1示出主回路冷却剂的集管容器的剖视图。
图2示出集管的圆筒形中央部分中的主回路冷却剂集管容器钻孔区域的截面。
图3示出主回路冷却剂集管容器钻孔区域的截面细节。
图4示出包括两个主回路冷却剂集管的蒸汽发生器组件的截面，所述集管具有分组成管组并通过竖向管间通道分隔开的U形热交换管。
图5示出其中插入了热交换管的冷却剂集管的截面细节。
图6示出主回路冷却剂集管容器的直径发展。
图7示出卧式蒸汽发生器容器的截面。
图8示出热交换管插入集管侧壁中的孔内。
具体实施方式
如图1所示，卧式蒸汽发生器的主回路冷却剂集管1具有形式为厚形容器的本体。集管的圆筒形中央部分2具有在图2和3中用截面示出的深孔3，所述深孔用于将热交换管4的端部固定在其中，如图4、5和8所示。集管的圆筒形下部部分5如图7所示被设计成可以通过焊接与蒸汽发生器容器7的连接管6连接，并且集管的上部部分8具有用于到达内部的法兰连接部。所述上部部分被设计成具有用于检修孔与其盖子10的法兰连接部的锥形适配器9。
集管1的圆筒形中央部分2具有大量穿孔3，这些穿孔3被设计成允许安装和固定分组成组11和12并通过所述孔3中的竖向管间通道13分隔开的U形热交换管4的管束。孔3在集管的圆筒形中央部分2上交错布置。
集管容器1的圆筒形中央部分2中的孔3从底部至顶部填充其外表面。上、下排孔3的边界在图1中通过水平点划线示出。在示出集管1在外径上的发展的图5中，所述钻孔区域14在底部受形状为对称楔形部的多段线15限制。在底部限制钻孔区域的楔形部包括具有水平截面的平坦部位16。水平截面尺寸至少为3(dhol+6)mm。水平截面的应用和尺寸被要求消除集管容器区域中的应力梯级并提高集管容器强度和可靠性。
检修孔与其盖子的法兰连接部配备有热膨胀的石墨密封垫片17。
用于包括具有水平热交换管束的U形管4的主回路冷却剂集管1的蒸汽发生器的组装方法包括预制两个复杂锻件。第一锻件被设计成形成集管1容器的下部部分5和圆筒形中央部分2。第二锻件形成集管1的法兰式带锥部的上部部分8。然后组装和焊接各锻件。将双层防腐蚀积层18施加至集管容器内表面。另外，制造指定数目的U形热交换管。在规定程序下在集管1的圆筒形中央部分2中钻出孔3，利用分组成组11和12并通过竖向管间通道13分隔开的U形热交换管4组装热交换管束。各热交换管4插入至其在集管1容器中的相应孔3内。通过轧制然后将管4的端部全周焊接(以环形方式焊接)到集管1的内表面上来将管4固定在主回路集管孔中。所述环形焊接接合部19在图8中被示出。然后利用集管1的外表面附近的机械卷边对集管壁厚L进行各热交换管4的液压胀接，直至集管容器与热交换管4之间的间隙闭合。
为了确保紧固有热交换管4的孔3之间的集管1的壁桥接部19的强度和所述热交换管与集管的连接的无泄漏密封，以及为了确保为了装管而穿孔的集管外表面的更有效使用，需要在集管的中央部分(钻孔区域)中适当地选择集管的外径Dhead。
为此，采用以下经验式：
其中：Sh是水平热交换管束排中的热交换管之间的间距，mm，
B2是与冷却剂集管相对的热交换管束的宽度，mm，
d是热交换管的外径，mm，
n1和n2分别表示较小的和较大的热交换管组的水平排中的管的数量，mm，
Rh是热交换管束中的管的最小弯曲半径，mm。
相关参数的度量在图2-4中被示出。
用于紧固热交换管4的孔3在集管的圆筒形中央部分中交错布置，并且相邻孔3的边缘之间的距离沿集管的内表面应不小于5.5mm。当集管1安装在蒸汽发生器容器7中时，其钻孔区域14的高度应不超过针对蒸汽发生器中的热交换管束的上排管设定的布置边界。
当将冷却剂集管与待插入在集管的中央部分2中钻出的孔3内的热交换管束一起组装时，热交换管弯曲半径应至少为60mm，并且优选至少为100mm，以确保涡流检测和该组装的品质控制。
要求专利权的组件作为核电站的卧式反应堆设备蒸汽发生器的一部分操作。
在反应堆中被加热的主冷却剂被供给到主回路冷却剂的入口集管1。从入口集管1，冷却剂被供给到分组成管束11和12的热交换管4，经过所述热交换管，同时经由热交换管4的壁向副回路冷却剂、即向锅炉水传热，并且汇集在主回路冷却剂的出口或汇集集管20中。冷却剂通过循环泵从出口集管20返回反应堆。在操作期间蒸汽发生器容器7以待维持的热交换管束上方的一定液位填充以锅炉水。给水经用于给水供给的连接管21和给水输入和分配装置供给到蒸汽发生器。从蒸汽发生器容器流出的给水与锅炉水混合并加热至饱和温度。从主冷却剂传递的热消耗在蒸汽发生器的管间空间中的锅炉水蒸发和蒸汽发生上。所产生的蒸汽上行至蒸汽发生器的分离部，该分离部包括自由容积、分离装置或其组合。在经过蒸汽发生器的分离部之后，蒸汽具有设计额定的湿度。然后经蒸汽去除装置从蒸汽发生器去除蒸汽，所述蒸汽去除装置包括蒸汽去除连接管22和安装在所述蒸汽去除连接管前方的顶部穿孔板。通过蒸汽发生器产生的蒸汽进一步用于发电的蒸汽-动力处理循环中。
在蒸汽发生器运转期间，主回路冷却剂集管与U形的热交换管束的管的连接是主要要求保证回路间密度的组装，因为任何密封性的损失会导致主冷却剂放射性水进入循环通过NPP反应堆设备的涡轮和其它结构件的副蒸汽-水回路冷却剂，从而可能向环境释放放射性物质。
与具有水平热交换管束的U形管的蒸汽发生器冷却剂集管设计及其制造方法有关的要求专利权的技术方案确立了以下技术效果：确保用于紧固热交换管的孔之间的集管壁桥接部的强度以及确保热交换管与集管的连接部的密封性(假定穿孔集管部分的外表面更有效地用于装管)。
示例1。
制造管呈直列式布置的蒸汽发生器。热交换管束的管之间的水平间距为Sh＝27mm。为了形成热交换管束，使用热交换管。管的最小弯曲半径为Rh＝120mm。各组的水平排中的热交换管的数目为n1＝n2＝44。管组之间的通道的宽度为В1＝В2＝220mm。
如果冷却剂集管直径D小于1517mm，例如1500mm，则管沿集管外表面的水平间距将为：
在具有VVER反应堆的NPP的主回路设备特有的设计压力值的情况下，集管厚度将为205mm。
因此，沿集管内表面的管间水平间距将为并且集管内的管之间的间隙将为：δ＝Sin–d＝21-18＝3mm。如果相邻管之间的间隙为3mm，则将无法加热管和在技术上制造蒸汽发生器，因为无法提供热交换管与主回路冷却剂集管的连接部的密封性和强度。
如果对于热交换管束的管的一部分而言该直径超过1987mm，则无法将管插入穿孔集管部分的孔内，因为集管侧面将在弯曲的管区段上交叉。弯曲的管无法插入孔内。于是，蒸汽发生器热交换管填充高度、蒸汽发生器热交换表面的面积、蒸汽发生器的产能、技术经济和性能指标将降低。

Claims (14)

1.一种用于蒸汽发生器的主回路冷却剂的集管，所述集管具有水平热交换管束的U形管，所述集管被设计为具有穿孔的圆筒形中央部分、圆筒形下部部分以及圆筒形上部部分的厚壁焊接式容器，所述中央部分被设计成允许U形的热交换管束安装和紧固在所述中央部分，其中所述管被分组成管组并且通过竖向管间通道分隔开，所述下部部分被设计成允许与蒸汽发生器容器连接管进行焊接，所述上部部分具有用于检修孔与盖子的法兰连接部的锥形适配器，其中所述中央部分中的主回路集管外径Dhead是基于以下比率选择的：
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其中：Sh是水平热交换管束排中的热交换管之间的间距，mm，
B2是与冷却剂集管相对的热交换管束的宽度，mm，
d是所述热交换管的外径，mm，
n1和n2分别表示较小的和较大的热交换管组的水平排中的管的数量，mm，
Rh是所述热交换管束的管的最小弯曲半径，mm，
用于紧固热交换管的孔在所述集管的圆筒形中央部分中交错布置，使得相邻孔的边缘之间的距离沿所述集管的内表面不小于5.5mm。
2.根据权利要求1所述的集管，其中，固定在集管侧壁上的孔中的热交换管是无缝的整体拉制奥氏体不锈钢管。
3.根据权利要求1所述的集管，其中，所述热交换管束的热交换管利用宽度为100至250mm的竖向管间通道分组成管组。
4.根据权利要求1所述的集管，其中，所述检修孔与盖子的法兰连接部配备有由膨胀石墨制成的密封垫片。
5.根据权利要求4所述的集管，其中，所述法兰连接部的密封垫片由利用不锈钢带增强的挤压膨胀式石墨箔制成。
6.根据权利要求1所述的集管，其中，所述圆筒形中央部分中的孔形成在底部受具有平坦部位的对称楔形部限制的钻孔区域。
7.根据权利要求6所述的集管，其中，在集管直径发展上示出的钻孔区域在底部受形状为具有平坦部位的楔形部的多段线限制，并且平坦区域的长度不小于3·(dhole+6)mm，其中dhole是孔直径。
8.根据权利要求6所述的集管，其中，所述钻孔区域超过所述孔的面积至少20％。
9.一种用于蒸汽发生器的主回路冷却剂集管的制造方法，所述集管具有水平热交换管束的U形管，所述制造方法包括：预制两个复杂的锻件和U形的热交换管；组装和焊接所述锻件；在所述集管的圆筒形中央部分中钻孔；组装被分组成管组并通过竖向管间通道分隔开的U形的热交换管的热交换管束；通过在集管内表面上轧制和焊接来将各热交换管紧固在主回路集管孔中，其中基于以下比率来选择所述中央部分中的主回路集管外径Dhead：
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其中：Sh是水平热交换管束排中的热交换管之间的间距，mm，
B2是与冷却剂集管相对的热交换管束的宽度，mm，
d是所述热交换管的外径，mm，
n1和n2分别表示较小的和较大的热交换管组的水平排中的管的数量，mm，
Rh是所述热交换管束的管的最小弯曲半径，mm，
用于紧固热交换管的孔在所述集管的圆筒形中央部分中交错布置，使得相邻孔的边缘之间的距离沿所述集管的内表面不小于5.5mm。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过将管端部全周焊接到所述集管的内表面上来将所述热交换管固定在所述集管的圆筒形中央部分中的孔内，然后使所述热交换管在所述集管的壁厚上液压胀接并且在所述集管的外表面附近进行机械卷边直至所述集管与所述热交换管之间的间隙闭合。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热交换管束以相邻管之间的竖向间隙不超过所述管束中的管的竖向间距的方式从底部向上均匀地填充有热交换管。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，在将主冷却剂集管安装到蒸汽发生器压力容器中期间，所述集管的钻孔区域的高度不超过针对热交换管束的上排管设定的布置极限。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热交换管的弯曲半径至少为60mm，并且优选至少为100mm，以被插入所述集管的中央部分的孔内。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述集管的圆筒形中央部分中的孔以使得所述集管部分(钻孔区域)的外表面面积超过所述孔的面积至少20％的方式钻出。
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