KR102126338B1 - 수평 열교환 다발의 u-형상 튜브를 구비한 증기 발생기 냉각재 헤더 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 산업에 관한 것으로서, 가압수형 원자로(water-water energetic reactor) (VVER)를 갖는 원자력 발전소(NPP)용 수평 증기 발생기에 사용될 수 있다. 수평 열교환 다발의 U-형상 튜브를 갖는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더는 그 안에 U-형상 열교환 튜브 다발이 설치 및 체결되도록 설계된 천공된 중앙 원통부를 갖는 두꺼운-벽 용접 용기로서 설계되고, 상기 튜브는 수직 튜브간 터널에 의해서 분리되어 뱅크로 그룹화되고, 증기 발생기 용기 연결파이프와 용접에 의해 연결되도록 설계된 하부 원통부, 및 덮개와 맨홀의 플랜지 연결부에 대한 원추형 어댑터를 갖는 상부 원통부를 포함하고, 상기 중앙 원통부에서 1차 회로 헤더의 외경(Dhead)은 다음의 비율에 기초하여 선택되며:
Figure 112019125709413-pct00023

여기서, Sr는 수평 열교환 다발 열에서 열교환 튜브들 간의 간격으로서 mm단위이고, B2는 냉각재 헤더에 대향하는 열교환 다발의 폭으로서 mm단위이고, d는 열교환 튜브의 외경으로서 mm단위이고, n1과 n2는 더 작거나 더 큰 열교환 튜브 뱅크의 수평열에 있는 튜브의 개수를 나타내며, Rr는 열교환 다발 튜브의 최소 굽힘 반경으로서 mm단위이고, 인접한 홀들의 가장자리 간의 거리가 헤더의 내부면을 따라 5.5 mm 이상이 되도록 상기 열교환 튜브의 체결용 홀은 상기 헤더의 중앙 원통부에서 교대로 배열된다. 본 발명의 기술적인 결과는 천공된 헤더부의 외부면이 보다 효율적으로(충분히) 튜브를 삽입하는데 사용되는 가정 하에 열교환 튜브의 체결을 위한 홀들 간의 헤더 벽 브리지의 강도 및 헤더와 열교환 튜브 간의 연결 누설방지를 보증한다.

Description

수평 열교환 다발의 U-형상 튜브를 구비한 증기 발생기 냉각재 헤더 및 그 제조 방법{Steam generator coolant header with U-shaped tubes of a horizontal heat-exchange bundle and methods of its manufacture}
본 발명은 전력 산업에 관한 것으로서, 가압수형 원자로(water-water energetic reactor) (VVER)를 갖는 원자력 발전소(NPP)용 수평 증기 발생기에 사용될 수 있다.
증기 발생기는 원자로 발전소 1차 회로의 필수 구성요소이다. 궁극적으로, 1차 회로 냉각재 헤더와 열교환 튜브 다발의 연결은 제조상 가장 복잡한 증기 발생기의 조립 과정이다. 이 조립에는 높은 회로간 밀도 요구조건이 부여된다. 이는 냉각재 헤더 연결 조립의 설계가 열 전달 및 기타 구성요소의 손상 가능성을 배제해야 하는 것을 의미한다. 이들 구성요소의 기밀성이 손상되면, 1차 회로의 방사성 물이 2차 회로의 증기-물 냉각재 내부로 들어가서, 터빈, 응축기, 히터 및 NNP 원자로 발전소의 기타 유사한 구조적 구성요소를 통해 순환하면서, 환경에 대한 잠재적인 방사성 물질의 방출을 야기한다.
수평 증기 발생기에서 사용되는 1차 회로 냉각재 헤더는 일반적으로, 상기 용기의 길이를 따라 변화하는 직경과 두께를 갖는 두꺼운-벽체의 원통형 용기이다. 헤더의 중앙 원통부는 열교환 튜브의 말단을 체결하기 위한 관통공을 구비한다. 헤더의 하부 원통부는 증기 발생기 용기 연결파이프와 용접 연결 가능하게 설계되며, 헤더의 상부 원통부는 내부 접근을 위한 해치(맨홀)을 구비하고, 그의 덮개와 맨홀의 플랜지 연결부에 대한 원추형 어댑터를 갖는다.
증기 발생기가 작동하는 동안 발생할 수 있는 주요 문제는 플랜지 커넥터의 구조적인 완전성 및 1차 회로 냉각재 헤더의 구조적인 완전성과 관련이 있다.
기술적인 관점에서, 증기 발생기를 제조하는 동안 가장 많은 노동력이 소모되고 복잡한 동작은, 헤더 측벽의 한정된 영역에 밀접하게 이격된 다수의 깊은 관통공을 천공하고, 이어서 그 안에 열교환튜브를 누설되지 않게 기밀적으로 삽입하는 것을 포함하여, 열교환 튜브 다발을 1차 회로 냉각재 헤더에 연결하는 것이다. 밀접하게 이격된 다수의 깊은 관통공은 헤더의 강도를 감소시키며, 따라서, 특정한 측벽 두께를 갖는 증기 발생기에 놓일 수 있는 열교환 튜브의 개수를 제한하고, 열교환 튜브 수가 감소하면, 헤더 측벽 두께의 상당한 증가가 요구된다.
상기 문제는 기술적인 배경 내에서 다르게 해결된다.
따라서, 플랜지 커넥터의 구조적인 완전성 문제를 해결할 수 있는 방법이, 증기 발생기 용기의 목 부분에 배치되어 둥근 영역을 형성하는 플랜지 커넥터를 지닌 1차 회로 가열 냉각재 헤더를 포함하는 증기 발생기 조립체를 기술하는 USSR 발명자 증명서 제 1267847호(1996년 1월 10 일 공개, IPC: F22B1/02)에 개시되어 있다. 비상 1차 회로 가열 냉각재 유동 피뢰기(arrester)는 목 부분의 상부 공동을 용기의 나머지 부분과 분리시키는 영역에 설치되며, 하방으로 테이퍼진 쐐기 형상의 단면을 지닌 밀봉링으로서 설계된다.
NPP 원자로 발전소 조립체에서 사용하는 또 다른 밀봉장치가 러시아 실용신안 등록 제 84491 호(IPC: F16J15/12, 2009년 7월 10 일 공개됨)에 개시되어 있다. 밀봉 개스킷이 2개의 L-형상 단면 분할 스톱 링으로 제조되고, 이 스톱링은 그들 사이에 가압 팽창된 흑연 호일로 제조된 밀봉 요소를 갖는다. 팽창된 흑연 호일 개스킷을 밀봉 조립체에서 사용하면, 이들을 밀봉 조립체의 원통형면 및 말단면 모두에서 사용하는 경우, 원자로 발전소 1차 회로 냉각재의 누설 가능성을 감소시킬 수 있다.
원자력 및 석유화학 발전소의 증기 발생기 헤더, 튜브 시트 및 기타 장비 구성요소에 깊은 관통공을 가공하는 기술이 러시아 특허 제 2514359 호(2014년 4월 27일 허여, IPC: B23B35/00)에 기재되어 있다. 이 방법은 헤드와 스템으로 이루어진 천공 공구로 홀을 예비 천공하는 것을 포함한다. 동시에, 기계가공면과 천공 공구 간의 갭에 적어도 4 MPa의 압력 하에 절삭유가 공급되며, 칩은 헤드와 스템의 내부 채널을 통해 유동하는 절삭유에 의해 제거된다. 표면의 최종 기계가공은 동일한 스템에 설치된 리머(reamer)에 의해 실행되는 한편, 칩은 리밍(홀 확장) 방향을 따라 천공된 홀을 통해 전방으로 제거된다. 홀에서 리머에 의해 칩이 제거되면서, 홀 표면의 다듬질 작업이 병행된다. 한편, 리머는 리밍 중에 최대 4 배의 속도로 회전하며, 리머 제거 속도는 작업 속도를 5 내지 7% 초과한다. 이 방법을 사용하면, 표면층의 잔류 인장 응력을 제거하고, 홀 표면 거칠기를 감소시키며, 열교환 장비 연결의 작업 신뢰성을 높일 수 있다.
러시아 특허 제 2524461 호(2014년 7월 27일 허여, IPC: B21D39/06)에 개시된 또 다른 방법은 튜브 형상의 증기 발생기 헤더에 열교환 파이프 말단을 체결하는 데 따른 문제를 해결한다. 상기 발명에 따르면, 튜브 말단은 헤더의 내부면 상에서 사전 팽창되고, 튜브가 용접되며, 헤더 두께 내에서 유압 팽창이 실행되고, 내부면에 인접한 영역에서 팽창된 후에, 전방단은 헤더의 외부면에 인접한 영역에서 기계적으로 확장된다. 튜브의 전방단은 구동축 상에 제한된 토크를 갖는 3-롤러 확장기에 의해서 기계적으로 롤링되어 확장된다. 다음에, 1 단 또는 2 단 전이 수압 확장이 실행된다. 기계적인 롤링 면적과 유압 팽창 면적 간의 직경 차는 열교환기 튜브 외경의 0.75÷1%까지 유지해야 한다. 이 발명을 적용할 경우, 연결의 신뢰성 및 내구성을 증가시킨다. 상기 기재된 방법은 다소 많은 노동력이 소모되고, 헤더에 열교환 튜브를 체결하는 한가지 작업에만 관련이 있으며, 완전한 VVER NPP 수평 증기 발생기의 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 및 조립 공정은 다루지 않는다.
제안한 기술적인 해결방안과 가장 유사한 것은 2003년 7월 10일 공개된 러시아 실용신안 특허 RU30928(IPC: F22B1/02)에 개시된 것이다. 이 실용신안은 용기와, 입구 및 출구 1차 회로 냉각재 헤더 및 이들 헤더에 연결된 수평 열교환 튜브 다발을 갖는 열교환 조립체를 포함하는 증기 발생기의 제조 공정에 관한 것이다. 수평 열교환 튜브는 각각, (1.44÷-1.55)·d 및 (1.35÷-1.40)·d의 수평 및 수직 상대 간격으로 설치되며, 여기서 d는 튜브의 직경이다. 열교환 튜브를 설치하기 위한 상기 간격 범위는, 비제한적으로, 열교환 다발 튜브의 긴밀한 배열에 적용할 수 있다. 그러나, 열교환 다발의 상기 긴밀한 배열의 경우에 냉각재 헤더에 열교환 튜브를 위치시키는 문제가 해결되지 않고 남아 있다. 즉, 상기 실용신안에 따라 수평 간격 1.44·d 및 수직 간격 1.35·d으로 열교환 튜브의 긴밀한 배열을 사용하는 경우, 냉각재 헤더의 천공된 섹션의 강도 및, 열교환 다발 뱅크의 생성 중에 헤더로의 열교환 튜브의 용이한 삽입이 보장되지 않는다.
본 발명의 목적은 헤더 내에 체결되는 열교환 튜브의 헤더 강도, 기밀성 및 가공성을 유지하고, 증기 발생기 열교환 튜브의 충전 레벨을 증가시키면서, U-형상 열교환 튜브 다발을 갖는 1차 회로 냉각재 헤더를 포함하는 수평 증기 발생기 조립체를 생성하는데 있다.
본 발명의 기술적인 결과는 최대 효율성으로 튜브를 삽입하는데 천공된 헤더 섹션의 외부면을 이용하면서, 열교환 튜브 장착용 홀들 간의 헤더 벽 교차 연결을 위한 헤더의 보장된 강도와, 열교환 튜브와 헤더 간의 연결 기밀성으로 이루어진다.
당면 과제를 해결하기 위해, 그 안에 U-형상 열교환 튜브 다발이 설치 및 체결되도록 설계된 천공된 중앙 원통부를 갖는 두꺼운-벽 용접 용기로서 설계된 수평 열교환 다발의 U-형상 튜브를 갖는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더를 제공하고, 상기 튜브는 수직 튜브간 터널에 의해서 분리되어 뱅크로 그룹화되고, 증기 발생기 용기 연결파이프와 용접에 의해 연결되도록 설계된 하부 원통부, 및 덮개와 맨홀의 플랜지 연결부에 대한 원추형 어댑터를 갖는 상부 원통부를 포함하고, 상기 중앙 원통부에서 1차 회로 헤더의 외경(Dhead)은 다음의 비율에 기초하여 선택되며:
Figure 112019125709413-pct00018
여기서, Sr는 수평 열교환 다발 열에서 열교환 튜브들 간의 간격으로서 mm단위이고,
B2는 냉각재 헤더에 대향하는 열교환 다발의 폭으로서 mm단위이고,
d는 열교환 튜브의 외경으로서 mm단위이고,
n1과 n2는 더 작거나 더 큰 열교환 튜브 뱅크의 수평 열에 있는 튜브의 개수를 나타내며,
Rr는 열교환 다발 튜브의 최소 굽힘 반경으로서 mm단위이고,
단, 인접한 홀들의 가장자리 간의 거리가 헤더의 내부면을 따라 5.5 mm 이상이 되도록 상기 열교환 튜브의 체결용 홀은 상기 헤더의 중앙 원통부에서 교대로 배열된다.
냉각재 헤더 용기의 내부면 상의 홀들의 가장자리 간의 거리는 5.5mm 이상이며, 이는 열교환 튜브 말단을 그의 전체 원형 길이를 따라 용접하여 누설이 방지되는 연결을 보장한다.
헤더 측벽의 홀에 고정된 열교환 튜브는 이음매 없는 인발 오스테나이트계 스테인리스강 파이프이다.
열교환 다발의 열교환 튜브는 100 내지 250 mm 폭의 수직 튜브간 터널을 갖는 뱅크로 그룹화된다.
열교환 튜브 다발은 다발 내 튜브의 수직 간격을 초과하지 않는 인접한 튜브 간의 수직 갭을 갖고서 바닥에서부터 상방으로 연속해서 균일하게 열교환 튜브로 채워진다
헤더 용기의 중앙 원통부에 있는 홀은 바닥에서부터 상부까지 그의 외부면을 채우면서 천공 영역을 형성한다. 외경 상에서 헤더의 전개시, 상기 천공 영역은 대칭형 쐐기 형상의 폴리라인(polyline)에 의해 바닥에서 제한된다. 쐐기는 수평 단면을 지닌 평탄 지점을 갖는다. 수평 단면의 크기는 3(dhol+6)mm 이상이다. 수평 단면의 가용성과 크기는 헤더 내의 낮은 잔류 응력 탓에 증기 발생기의 신뢰성 요구조건을 충족하도록 선택된다. 뾰족한 쐐기와 같이 성형된 천공 영역은 응력 라이저를 형성할 수 있으며, 즉 헤더 용기에서 크랙의 개시에 기여할 수 있다. 그러므로, 상기 지적한 천공 영역의 구성은 청구한 헤더 설계에서 사용하지 않는다.
그의 덮개와 맨홀의 플랜지 연결부는 팽창 흑연 개스킷, 특히 스테인리스강 밴드로 보강된 가압 흑연 호일링으로서 설계된 열팽창 흑연 개스킷을 구비한다. 열팽창 흑연 개스킷으로 밀봉된 플랜지 연결부는, 플랜지 연결부에 대한 예압(preload) 노력을 줄이고 냉각재 헤더의 응력 상태를 개선할 수 있게 한다.
본 발명의 제 2목적은 2개의 복합 단조품 및 U-형상 열교환 튜브를 사전 제작하고, 단조품들을 조립 및 용접하고, 헤더 중앙 원통부에 관통홀을 천공하고, 상기 U-형상 열교환 튜브의 열교환 다발 조립체를 다발 내 수직 튜브간 터널에 의해 분리하여 뱅크로 그룹화하고, 롤링에 의해 1차 회로 헤더 홀에 각 열교환 튜브를 체결한 다음, 헤더 내부면 상에 용접하는 단계를 포함하는 수평 열교환 다발의 U-형상 튜브를 갖는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법으로, 1차 회로 헤더의 외경(Dhead)을 다음의 비율에 기초하여 선택하며:
Figure 112019125709413-pct00019
여기서, Sr는 수평 열교환 다발 열에서 열교환 튜브들 간의 간격으로서 mm단위이고,
B2는 냉각재 헤더에 대향하는 열교환 다발의 폭으로서 mm단위이고,
d는 열교환 튜브의 외경으로서 mm단위이고,
n1과 n2는 더 작거나 더 큰 열교환 튜브 뱅크의 수평열에 있는 튜브의 개수를 나타내며,
Rr는 열교환 다발 튜브의 최소 굽힘 반경으로서 mm단위이고,
단, 인접한 홀들의 가장자리 간의 거리가 헤더의 내부면을 따라 5.5 mm 이상이 되도록 상기 열교환 튜브의 체결용 홀은 상기 헤더의 중앙 원통부에서 교대로 배열된다.
청구한 방법에 따르면, 열교환 튜브는 헤더의 내부면 상에 튜브 말단을 둥글게 용접함으로써, 헤더의 중앙 원통부에 있는 홀에 고정되고, 이어서 헤더 벽의 두께에 걸친 열교환 튜브를 유압 팽창시키고, 그 안에 삽입된 헤더 용기와 열교환 튜브 간의 갭이 폐쇄될 때까지 헤더의 외부면 주변을 기계적으로 컬링(mechanical curling)한다.
헤더가 증기 발생기 용기에 설치되는 경우, 열교환 다발은 다발 내 튜브의 수직 간격을 초과하지 않는 인접한 튜브들 간의 수직 갭을 갖고서 바닥에서부터 상방으로 균일하게 열교환 튜브로 채워지며, 그의 천공 영역의 높이는 증기 발생기 내 열교환 다발 튜브의 상부 열에 대해 설정된 배열 한계를 초과하지 않아야 한다.
냉각재 헤더가 헤더의 중앙 원통부에 천공된 홀에 삽입될 열교환 튜브 다발과 조립되는 경우, 열교환 튜브의 굽힘 반경은 60mm 이상, 바람직하게는 100mm 이상이 된다. 증가된 굽힘 반경에 의해, 튜브의 완전성 및 연결 품질의 와전류 테스트를 위해, 각 열교환 튜브에 전자기 프로브를 삽입하는 것이 가능하다. 열교환 튜브의 완전성 및 냉각재 헤더와의 연결 품질에 대한 100% 와전류 테스트를 실행하는 것이 가능하므로, 증기 발생기의 성능, 신뢰성 및 내구성이 향상된다.
냉각재 헤더의 강도 요구조건이 충족되도록 보장하려면, 헤더 중앙 원통부에 홀을 천공할 때, 부가적으로 천공 영역 외부면이 20% 이상 홀 영역을 초과하는 것이 필요하다.
본 발명은 기술적인 결과 달성의 범위 내에서 냉각재 헤더 외경을 선택할 수 있게 한다. 유도된 헤더 직경 범위의 값이 낮을수록 튜브 말단이 헤더 용기의 외부면 상에서 헤더에 둥글게 용접되는 것에 의해 헤더에서 튜브 체결을 위한 가공성 및 그의 강도를 여전히 보장할 수 있다. 헤더 직경 범위의 상한값은 증기 발생기 조립 가공성, 즉 모든 열교환 다발 튜브를 냉각재 헤더 홀에 삽입할 수 있는 가능성을 보장한다.
도 1은 1차 회로 냉각재 헤더 용기를 나타내는 단면도이다.
도 2는 헤더의 중앙 원통부에서 1차 회로 냉각재 헤더 용기 천공 영역을 나타내는 단면도이다.
도 3은 1차 회로 냉각재 헤더 용기 천공 영역을 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 4는 수직 튜브간 터널에 의해 분리되어 뱅크로 그룹화된 U-형상 열교환 튜브를 갖는 2개의 1차 회로 냉각재 헤더를 포함하는 증기 발생기 조립체를 나타내는 단면도이다.
도 5는 그안에 삽입된 열교환 튜브를 갖는 냉각재 헤더를 상세하게 나타내는 단면도이다.
도 6은 1차 회로 냉각재 헤더 용기의 정반대 전개를 나타내는 도면이다.
도 7은 수평 증기 발생기 용기를 나타내는 단면도이다.
도 8은 헤더 측벽에 있는 홀에 열교환 튜브를 삽입하는 것을 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수평 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더(1)는 두꺼운 형상의 용기 형태로 이루어진 몸체를 갖는다. 헤더의 중앙 원통부(2)는 도 4, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 그 안에 열교환 튜브(4)의 말단을 고정하기 위해 사용하는 섹션에, 도 2 및 도 3에 도시된 깊은 홀(3)을 갖는다. 헤더의 하부 원통부(5)는 도 7에 도시된 바와 같이, 용접에 의해 증기 발생기 용기(7)의 연결파이프(6)와 연결될 수 있게 설계되고, 헤더의 상부(8)는 내부에 접근하기 위한 플랜지 연결부를 갖는다. 상부는 그의 덮개(10)와 맨홀의 플랜지 연결부에 대한 원추형 어댑터(9)로 설계된다.
헤더(1)는 도 4에 나타나 있는 것과 같이, 수직하여 설치되는 튜브들 사이에 형성된 터널(13)에 의해 분리되어 뱅크(11, 12)로 그룹화된 U-형상 열교환 튜브(4)를 상기 홀(3)에 설치하고 고정할 수 있도록 설계된 다수의 관통공(3)을 갖는 중앙 원통부(2)를 구비한다. 홀(3)들은 헤더의 중앙 원통부(2) 상에 교대로 배열되어 있다.
헤더 용기(1)의 중앙 원통부(2)에 있는 홀(3)은 바닥에서부터 상부까지 그의 외부면을 채운다. 홀(3)의 상부 및 하부 열의 한계는 도 1에 수평 일점 쇄선으로 도시되어 있다. 외경 상에서 헤더(1)의 전개를 도시하는 도 6에서, 천공 영역(14)은 폴리라인(15)에 의해 대칭 쐐기 형상으로 도시되고 바닥에서 제한된다. 바닥에서 천공 영역을 제한하는 쐐기는 수평 단면을 지닌 평탄 지점(16)을 갖는다. 수평 단면의 크기는 3(dhol+6)mm 이상이다. 수평 단면의 가용성과 크기는 헤더 용기 영역에서의 응력 라이저를 없애 헤더 용기의 강도와 신뢰성을 증가시키는데 필요하다.
그의 덮개와 맨홀의 플랜지 연결부는 열팽창 흑연 밀봉 개스킷(17)을 구비한다.
수평 열교환 다발의 U-형상 튜브(4)를 갖는 1차 회로 냉각재 헤더(1)를 포함하는 증기 발생기의 조립방법은 2개의 복합 단조품을 사전 제조하는 것을 포함한다. 제 1단조품은 헤더(1) 용기의 하부 원통부(5) 및 중앙 원통부(2)를 형성하도록 설계된다. 제 2단조품은 헤더(1)의 플랜지형 상부 원뿔부(8)를 형성한다. 다음에, 이들 단조품이 조립 및 용접된다. 헤더 용기의 내부면에는 2층의 부식 방지용 보호층(18)이 도포된다. 그리고 특정 개수의 U-형상 열교환 튜브가 제조된다. 헤더(1)의 중앙 원통부(2)에는 정해진 절차에 따라 홀(3)이 천공되며, 열교환 다발은 수직 튜브간 터널(13)에 의해 분리되어 뱅크(11 및 12)로 그룹화된 U-형상 열교환 튜브(4)와 조립된다. 각 열교환 튜브(4)는 헤더(1) 용기 내의 그와 대응하는 홀(3)에 삽입된다. 튜브(4)는 롤링에 의해 1차 회로 헤더 홀에 고정되고, 이어서 튜브(4) 말단의 헤더(1) 내부면에 대한 둥근 용접(링 용접)이 실행된다. 상기 링 용접 조인트(19)는 도 8에 도시되어 있다. 다음에, 헤더 벽의 두께에 걸쳐 각 열교환 튜브(4)가 유압 팽창되고, 헤더 용기와 열교환 튜브(4) 간의 갭이 폐쇄될 때까지, 헤더(1)의 외부면 주변에 기계적 컬링이 실행된다.
열교환 튜브(4)가 체결된 홀들(3) 사이에서 헤더(1) 벽 브리지(19)의 강도, 및 헤더와의 상기 열교환 튜브 연결부의 누설방지를 보장함과 아울러, 튜브 삽입을 위해 천공된 헤더 외부면의 보다 효율적인 사용을 보장하기 위해, 중앙 원통부(천공 영역)에서 헤더의 외경(Dhead)을 적절하게 선택할 필요가 있다.
이 목적을 위해, 다음과 같은 경험적 관계가 사용된다.
Figure 112019125709413-pct00020
여기서, Sr는 수평 열교환 다발 열에서 열교환 튜브들 간의 간격으로서 mm단위이고,
B2는 냉각재 헤더에 대향하는 열교환 다발의 폭으로서 mm단위이고,
d는 열교환 튜브의 외경으로서 mm단위이고,
n1과 n2는 더 작거나 더 큰 열교환 튜브 뱅크의 수평열에 있는 튜브의 개수를 나타내며,
Rr는 열교환 다발 튜브의 최소 굽힘 반경으로서 mm단위이다.
상관 파라미터의 측정은 도 2-4에 도시되어 있다.
열교환 튜브(4)를 체결하기 위한 홀(3)은 헤더의 중앙 원통부에 교대로 배열되어 있고, 인접한 홀들(3)의 가장자리 간의 거리는 헤더의 내부면을 따라 5.5 mm 이상이 되어야 한다. 헤더(1)가 증기 발생기 용기(7)에 설치되는 경우, 홀의 천공 영역(14)의 높이는 증기 발생기에서 열교환 다발 튜브의 상부열에 대해 설정한 배열 한계를 초과하지 않아야 한다.
냉각재 헤더가 헤더의 중앙 원통부(2)에 천공된 홀(3)에 삽입될 열교환 튜브 다발과 조립되는 경우, 와전류 테스트 및 이 조립체의 품질 관리를 보장하려면, 열교환 튜브의 굽힘 반경은 60 mm 이상, 바람직하게는 100 mm 이상이어야 한다.
청구한 조립체는 원자력 발전소의 수평 원자로 설비 증기 발생기의 일부로서 작동된다.
반응기에서 가열된 1차 냉각재는 1차 회로 냉각재의 입구 헤더(1)로 공급된다. 입구 헤더(1)로부터 냉각재는 다발(11, 12)로 그룹화된 열교환 튜브(4)로 공급되고, 이들 튜브를 통과하면서 열은 열교환 튜브(4)의 벽을 통해 2차 회로 냉각재, 즉 보일러수로 전달되며, 1차 회로 냉각재의 출구 또는 수집 헤더(20)에 수집된다. 냉각재는 순환 펌프에 의해 출구 헤더(20)로부터 반응기로 복귀한다. 증기 발생기 용기(7)는 작동 중에 유지되어야 하는 열교환 튜브 다발 상부의 일정 수위까지 보일러수로 채워진다. 급수는 급수 공급용 연결파이프(21)와 급수 유입 및 분배장치를 통해 증기 발생기로 공급된다. 여기에서 흘러나온 급수는 보일러수와 혼합되어 포화 온도까지 가열된다. 1차 냉각재로부터 전달된 열은 보일러수 증발 및 증기 발생기의 튜브 간 공간에서의 증기 생성에 소비된다. 발생한 증기는 자유 체적, 분리장치 또는 이들의 조합을 포함하는 증기 발생기의 분리부로 상승한다. 증기 발생기의 분리부를 통과한 후, 증기는 설계 정격습도를 갖는다. 다음에, 이들의 전면에 설치된 증기 제거 연결파이프(22) 및 오버헤드 천공 시트를 포함하는 증기 제거장치를 통해 증기 발생기로부터 제거된다. 증기 발생기에서 발생한 증기는 발전소의 증기 발전 공정 사이클에서 추가로 사용된다.
증기 발생기 작동 중에, 기밀성의 임의의 손상으로 인해 1차 회로 방사성 물이 2차 회로 증기-물 냉각재 내부로 들어가서, 터빈 및 NNP 원자로 발전소의 기타 유사한 구조적 구성요소를 통해 순환하면서, 환경에 대한 잠재적인 방사성 물질의 방출을 야기하므로, U-형상 열교환 다발 튜브와의 1차 회로 냉각재 헤더의 연결은, 주로 회로 간 밀도를 보증할 필요가 있는 조립 과정이다.
수평 열교환 다발의 U-형상 튜브를 갖는 증기 발생기 냉각재 헤더 설계 및 그의 제조 방법에 관해 청구한 기술적 해결방안은 다음과 같은 기술적인 결과를 확립한다: 열 교환 튜브의 체결용 홀들 간의 헤더 벽 브릿지의 보장된 강도 보증, 천공된 헤더부의 외부면이 튜브 삽입에 보다 효율적으로 사용되는 가정 하에 헤더와 열교환 튜브 간 연결부의 누설방지.
실시예 1.
일렬 배열의 튜브를 갖는 증기 발생기를 제조하였다. 열교환 튜브 간의 수평 간격은 Sr=27 mm이다. 열교환 다발을 형성하기 위해, Φ18mm 열교환 튜브를 사용한다. 튜브의 최소 굽힘 반경은 Rr=120mm이다. 각 뱅크의 수평열에서 열교환 튜브의 개수는 n1=n2=44이다. 튜브 뱅크 사이의 터널 폭은 B1=B2=220mm이다.
Figure 112017078287015-pct00004
냉각재 헤더 직경 (D)이 1517 mm 미만, 예를 들어 1500 mm이면, 헤더 외부면을 따르는 튜브의 수평 간격은 다음과 같다.
Figure 112017078287015-pct00005
VVER 반응기를 갖는 NPP의 1차 회로 장비에 특수화된 설계 압력값의 경우, 헤더 두께는 205mm가 된다.
따라서, 헤더 내부면을 따르는 튜브간 수평 간격은
Sin=
Figure 112017078287015-pct00006
mm 이고, 헤더 내의 튜브 간의 간격은: δ= Sin - d =21-18=3 mm가 된다. 인접한 튜브들 간의 간격이 3mm이면, 1차 회로 냉각재 헤더와 열교환 튜브 간 연결부의 누설방지 및 강도가 제공되지 않기 때문에, 이들을 변경하거나 기술적으로 증기 발생기를 제조할 수 없다.
열교환 다발 튜브의 일부에 대해 직경이 1987 mm를 초과하면, 헤더 측면이 굴곡된 튜브 단면을 가로지르기 때문에, 튜브를 천공 헤더 부품의 홀에 삽입할 수 없다. 즉, 굴곡된 튜브는 홀에 삽입될 수 없다. 결과적으로, 증기 발생기 열교환 튜브 충전 레벨, 증기 발생기 열교환면의 면적, 그의 용량, 기술성과 경제성 및 성능 지수가 감소하게 된다.

Claims (14)

  1. 내부에 U-형상 열교환 튜브 다발이 설치 및 고정되도록 설계된 천공된 중앙 원통부를 갖는 두꺼운-벽 용접 용기로서, 수평 열교환 다발의 U-형상 튜브를 갖는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더에 있어서,
    상기 튜브는 수직 튜브 간 터널에 의해서 분리되어 뱅크로 그룹화되고, 증기 발생기 용기 연결파이프와 용접에 의해 연결되도록 설계된 하부 원통부, 및 덮개와 맨홀의 플랜지 연결부에 대한 원추형 어댑터를 갖는 상부 원통부를 포함하고, 상기 중앙 원통부에서 1차 회로 헤더의 외경(Dhead)은 다음의 비율에 기초하여 선택되며:
    Figure 112019125709413-pct00021

    여기서, Sr는 수평 열교환 다발 열에서 열교환 튜브들 간의 간격으로서 mm단위이고,
    B2는 냉각재 헤더에 대향하는 열교환 다발의 폭으로서 mm단위이고,
    d는 열교환 튜브의 외경으로서 mm단위이고,
    n1과 n2는 더 작거나 더 큰 열교환 튜브 뱅크의 수평열에 있는 튜브의 개수를 나타내며,
    Rr는 열교환 다발 튜브의 최소 굽힘 반경으로서 mm단위이고, 그리고
    인접한 홀들의 가장자리 간의 거리가 헤더의 내부면을 따라 5.5 mm 이상이 되도록 상기 열교환 튜브의 체결용 홀은 상기 헤더의 중앙 원통부에서 교대로 배열되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  2. 제 1항에 있어서,
    헤더 측벽의 홀에 고정된 열교환 튜브는 이음매 없는 오스테나이트계 스테인리스강 파이프인 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환 다발의 열교환 튜브는 100mm 내지 250 mm 폭의 수직 튜브 간 터널을 갖는 뱅크로 그룹화되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 맨홀과 덮개와의 플랜지 연결부는 팽창된 흑연으로 제조된 밀봉 개스킷을 구비하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플랜지 연결부의 상기 밀봉 개스킷은 스테인리스강 밴드로 보강된 가압 팽창된 흑연 호일로 제조되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 중앙 원통부에 있는 홀(3)들은 바닥에서부터 상부까지 그의 외부면을 채우면서 천공 영역(14)을 형성하되, 상기 천공 영역(14)은 대칭형 쐐기 형상의 폴리라인(polyline,15)에 의해 제한되고, 천공 영역(14)을 제한하는 쐐기 형상의 폴리라인(15)은 수평으로 평탄화된 평탄 지점(16)을 갖는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 평탄 지점(16)의 수평으로 평탄화된 영역의 길이는 3×(dhole+6)mm이며, 여기서 dhole은 홀의 직경인 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 천공 영역은 상기 홀의 면적을 20% 이상 초과하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더.
  9. 2개의 복합 단조품 및 U-형상 열교환 튜브를 사전 제작하고, 단조품들을 조립 및 용접하고, 헤더 중앙 원통부에 홀을 천공하고, 상기 U-형상 열교환 튜브의 열교환 다발 조립체를 튜브들 사이에 형성된 터널에 의해 분리시켜 뱅크로 그룹화하고, 1차 회로 헤더 홀에 각 열교환 튜브를 체결조립한 다음, 각 열교환 튜브를 헤더 내부면 상에 용접하는 단계를 포함하는 수평 열교환 다발의 U-형상 튜브를 갖는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법에 있어서,
    1차 회로 헤더의 외경(Dhead)을 다음의 비율에 기초하여 선택하며:
    Figure 112019125709413-pct00022

    여기서, Sr는 수평 열교환 다발 열에서 열교환 튜브들 간의 간격으로서 mm단위이고,
    B2는 냉각재 헤더에 대향하는 열교환 다발의 폭으로서 mm단위이고,
    d는 열교환 튜브의 외경으로서 mm단위이고,
    n1과 n2는 더 작거나 더 큰 열교환 튜브 뱅크의 수평열에 있는 튜브의 개수를 나타내며,
    Rr는 열교환 다발 튜브의 최소 굽힘 반경으로서 mm단위이고, 그리고
    인접한 홀들의 가장자리 간의 거리가 헤더의 내부면을 따라 5.5 mm 이상이 되도록 상기 열교환 튜브의 체결용 홀은 상기 헤더의 중앙 원통부에서 교대로 배열되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열교환 튜브는 헤더의 내부면 상에 튜브 말단을 둥글게 용접함으로써 헤더의 중앙 원통부에 있는 홀에 고정시키되, 상기 홀에 삽입된 열교환 튜브의 삽입된 부분을 유압 팽창시켜 상기 홀의 내벽면에 밀착하도록 하는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 열교환 다발은 서로 소정의 간격(gap)을 가지고 인접하여 배열되는 열교환 튜브들이 바닥에서부터 상방으로 균일하게 채워지는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    증기 발생기의 압력 용기 내에 상기 1차 회로 냉각재 헤더를 설치하는 동안, 상기 홀들의 천공 영역은 상기 중앙 원통부의 상부와 하부에 각기 설정한 배열 한계 범위 내로 제한되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 열교환 튜브의 굽힘 반경은 헤더 중앙 원통부의 홀에 삽입되도록 적어도 60mm 이상인 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 헤더의 중앙 원통부에 있는 홀들은 상기 헤더의 외부면의 면적이 홀의 면적을 20% 이상 초과하도록 천공되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기 1차 회로 냉각재 헤더의 제조 방법.
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