摘要：核安全问题一直以来是核电行业所有问题的重中之重，任何工艺及结构在正式应用之前均必须经过专业的分析计算并进行相应的验证且通过之后方案实施。因此，各种模拟核电站实际运行工况的试验回路就应运而生，而其中稳压器的设计及制造质量就成为了关键因素。笔者结合多个亲自参与项目中的设计及制造经验进行了相应的总结。
关键词：核电试验回路、稳压器、设计制造
引言：稳压器作为试验回路的关键设备，对于维持试验回路的压力参数的稳定意义重大。在其设计过程中，需要综合考虑各个部件的结构及布置，以满足其功能。文章就设计及制造过程的关键问题进行了分析及总结。
1、系统功能描述
稳压器系统主要用于保证系统运行时的回路压力参数稳定，该部分由稳压器、安全阀以及相应的温度、压力和水位测量仪表等组成。稳压器内部设置有电加热元件，用于实现稳压器压力调节，通过加热器产生蒸汽，调节系统运行压力，调节方式为比例式调节。底部设置有波动管，与主回路连接。回路系统运行时，稳压器的压力和水位信号与加压泵和稳压器电加热元件联锁，保证回路系统的压力处于正常范围。
2、主要设计参数及结构
鉴于各个试验回路的功能需求存在差异，稳压器的设计参数及规格尺寸亦有所区别。本文章主要以5m3左右的稳压器为例进行分析说明。
2.1、设计参数
设计压力17.2MPa
设计温度360℃
容积（总/水）5m3
工作介质去离子水
总电加热功率约300kW
主体材料不锈钢或者碳钢堆焊不锈钢
设计使用寿命30年
2.2、主体材料选择
本设备依据GB150《压力容器》开展相关的设计工作，因为工作介质为去离子水，故所有与介质接触的部分的必须使用不锈钢。在此条件下，我们在主材选择上有如下的几种方案：
2.2.1、不锈钢结构
由于是高温高压环境，根据各种奥氏体不锈钢在该设计温度下的许用应力值，优先选择S32168。由于目前钢厂的不锈钢板材的轧制厚度及起订量的原因，加之卷板机对于小直径筒体的卷制厚度限制，原则上选择锻件作为设备的承压壳体。上下封头可以根据实际计算厚度及各单位的装备能力情况来决定采用板材压制或者锻件加工。
2.2.2、碳钢堆焊不锈钢结构
从节约成本的角度，推荐使用20MnMo或者20MnMoNb的锻件作为承压部件，在该设计工况下，此材料的许用应力为奥氏体不锈钢的2倍左右。为满足设备运行的清洁度要求，内部与介质接触部分堆焊S30408不锈钢。堆焊分为两部分，过渡层采用EQ309，耐蚀层为EQ308。
总之，在设计设计过程中，我们可以根据各回路需要的稳压器的大小来决定采用主体材料，对于容积较小的稳压器，我们原则上采用全不锈钢结构；对于容积较大的稳压器，我们一般选用碳钢+堆焊的设计结构。
2.3、主要结构
设备主要由上下封头、中部筒体、支撑组件组成，结构示意如图1。
2.3.1上下封头
容积较大的稳压器封头采用球形封头，原因如下：
首先，受力情况，球形封头的两向应力是一样的，而且在相同的P和D条件下，球形的封头上的应力仅为筒体上的周向应力的一半；椭圆形封头经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，对于标准椭圆形封头，在相同的P和D条件下，封头最大的薄膜应力数值上与圆筒中的周向应力相等。故椭圆形封头的受力状况仅次于半球形的封头，而比其它封头好。
其次，用料情况，从理论上讲，在一些条件均相同之下，标准椭圆形的封头壁厚大约比半球形的封头厚一倍，而与圆筒的壁厚相近。故球形的封头比椭圆形封头更节约材料。
图1
第三，球形封头因具有受力均匀、应力较小等优点被广泛用于压力较高、直径较大的高压容器和特殊需要的场合。
对于容积较小的稳压器封头，我们通常采用锻件平盖的方式进行设计制造，结构形式示意如下：
2.3.2中部筒体
对于不同容积的稳压器，由于其设计压力及设计温度基本一致，故其承压筒体采用板材进行卷制的施工难度极大（国内绝大多数的卷板机无法完成），性价比极低，原则上均是采用锻制筒体进行加工而成。
2.3.3设备支撑
根据设备的现场安装环境，支撑主要分为两种：
裙座支撑：此结构主要适用于设备尺寸较大、重量较重，并且现场配备专门基础的情况，连接方式采用地脚螺栓进行；
耳式支撑：此结构主要适用于中小型设备，并且现场配备专门的支撑连接位置。
2.3.4电加热组件
电加热元件的总功率由各个系统工艺计算确定，单根元件的加热功率一般为10-15Kw。
电加热管发热体为镍铬合金电阻丝，材料为Cr20Ni80，与关内连接导体一起装在金属管内，管内空隙部分填充粉状电熔镁无极绝缘材料，管内连接导体与发热体之间采用压接或银钎焊连接，并按GB3836.1~3-2000规定了最小电气间隙和最小爬距离，金属管末端的管口填充专用绝缘填料，并进行充分的绝缘及防潮处理。
下图为380V/12Kw的电加热元件示意图，图示件4与设备下部封头进行焊接，与加热元件之间采用螺纹+透镜垫的连接方式。
2.3.5电加热支撑板
电加热器支撑板为挖空的网状支撑结构，流体可无阻力地流向电加热器，不会形成流动死区；折流板上孔加工为梅花状，部分流体从梅花缺口处流向折流板背面，不会在形成流动死区；电加热器在流体出口到封头间为非发热区，不会形成加热死区。
对于内部流场要求不高的环境，可以采用部分开孔的简易方式设计。
2.3.6上部喷淋装置
对于部分有快速压力调节需求的稳压器，通常采用在容器顶部设计喷淋装置来实现。喷淋装置的喷淋量由工艺专业计算确定。
为防止喷淋水雾直接作用于容器内壁，引起局部较大的温度变化，故一般根据喷淋水雾作用区域设计隔离短节。示意如下图：
2.3.7下部波动管
由于设备的特殊性，下封头波动管作为与回路相连的主要管口，在设计的时候有以下两点需要重点关注：
第一，波动管内的介质与容器内部的离子水存在一定的温差，为防止承压边界局部较大的温度变化，需要对波动管穿透下封头部分设计隔热装置；
第二，部分试验回路的波动管存在较大反向流，在极限工况下有破坏波动管组件，故在设计时需要明确极限工况，并根据设计输入对波动管受力进行分析计算，必要时设置相应的支撑结构。
3、加工难点及要点
3.1、封头成型
对于容积较大的稳压器用封头，无论采用轧制板材还是锻制，必须在成型后进行相应的热处理（正火或调质）。部分小尺寸的封头或者平盖可直接采用锻制坯料进行机加工而成。
3.2、坡口制备及检验
坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷；
标准抗拉强度下限Rm≥540MPa的低合金钢材及Cr-Mo低合金钢材经热切割的坡口表面，加工完成后应按JB/T4730.4进行磁粉检测，I级合格；
施焊前，应清除坡口及两侧母材表面至少20mm范围内的氧化皮、油污、熔渣及其他有害杂质。
3.3、堆焊及检验要点
3.3.1、堆焊要点
堆焊应根据制定的焊接工艺规程首先进行过渡层的堆焊，然后进行面层的堆焊；
各零部件过渡层堆焊厚度为3mm和面层的堆焊厚度（T-3）mm。对密封面的厚度按图面的尺寸要求，该厚度是指堆焊后需作检验对堆焊层表面机加工后的实测厚度；
过渡层及面层的堆焊应尽可能一次完成，若不能一次完成，则应保证层间温度≤93℃。
堆焊时不得摆动，每道堆焊焊缝应成直线；如有弯曲应进行磨削修直，在继续堆焊；
采用低热输入的焊接工艺参数，降低热输入，减小热应力和变形；
严格控制运枪和送丝，降低熔合比，在熔合线附近避免形成马氏体脆硬相；
待堆焊面进行着色检查，不允许存在细微的裂纹。清理待堆焊面的油、锈等杂质，是堆焊层界面不分层的影响因素之一。
3.3.2、检验及合格指标
过渡层及面层表面应作着色检验评定等级按NB/T47013.5-2015第8条的8.2.1款的要求，不允许任何裂纹存在；
未堆焊的基材表面应作渗透探伤，按NB/T47013.5-2015的要求进行，评定等级按8条的8.2.1款的要求，不允许任何裂纹存在。
4、结束语
试验用稳压器作为各系统回路的关键设备，在不同的试验需求下有着不同的设计考虑，故设计者在开展设计工作的同时要充分结合制造单位的装备实力。从而在满足功能的基础上节约成本并缩短项目周期。
论文作者:肖枝明
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/19
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