摘 要： 目前核電站堆芯水箱供水監(jiān)測采用的液位變送器主要采用美國西屋公司的產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均按照ASMEBPVC- III 《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》I 級部件中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；美國西屋公司產(chǎn)品特點(diǎn)是體積大、抗震性能差；根據(jù)ASMEBPVC- III《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》設(shè)計(jì)規(guī)范，對核電站堆芯水箱窄量程液位變送器進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)與探討。

    引 言
    美國西屋公司的堆芯水箱窄量程液位變送器（如圖1），是用在核電站堆芯供水監(jiān)測的，其工作壓力為15.98MPa,工作溫度長期為10 ℃，極端條件下如8級以上地震及海嘯等，工作溫度會出現(xiàn)峰值（288 ℃）,介質(zhì)為水。美國西屋公司產(chǎn)品主要由上法蘭（3"2500LB）、外筒組件、磁浮子、干簧鏈組件等組成,屬高壓壓力設(shè)備，西屋公司這個產(chǎn)品的特點(diǎn)是在滿足ASME BPVC-Ⅲ的設(shè)計(jì)條件下又對它附加一定的設(shè)計(jì)余量，使其產(chǎn)品過于笨重、抗震性能差[1-3]，對抗極端外部自然災(zāi)害導(dǎo)致事故發(fā)生的能力差，采用FEA有限元分析法對其應(yīng)力分析，得知其抗震指標(biāo)僅為58 Hz左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我國有關(guān)文件上的要求，故對其重新設(shè)計(jì)；根據(jù)HAF003-1991《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》及相關(guān)導(dǎo)則 [4-5] ，按照ASME BPVC-Ⅲ《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》Ⅰ級部件的要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。

    1 外筒承壓設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)原則應(yīng)能滿足ASME BPVC-Ⅲ《核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則》中NB-3100和NB-3200款項(xiàng)中的要求[1] ，根據(jù)工作條件擬選外管1500LB，2 1/2"SCH80規(guī)格;法蘭選用3"1500LB RF [2] 。

    1）工況參數(shù)。操作壓力為15.98 MPa。工作溫度長期為10 ℃；極端條件下（如8級以上地震及海嘯等）工作溫度會出現(xiàn)峰值（288 ℃）。介質(zhì)為水（含極低微量硼元素）。外筒材質(zhì)為316LN/S-80S。

    2）設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度。設(shè)計(jì)壓力按文獻(xiàn)[1]中NB-3112.1規(guī)定，在計(jì)算中應(yīng)采用設(shè)計(jì)壓力以表示滿足NB-3222、NB -3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2和NB3231中所有應(yīng)力強(qiáng)度限制的要求。本文設(shè)計(jì)壓力值為17.2 MPa。設(shè)計(jì)溫度參照執(zhí)行文獻(xiàn)[1]中NB-31112.2規(guī)定，文中設(shè)計(jì)溫度值為用戶給定值350 ℃。

    3）確定腐蝕裕量。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中NB3641.1（c）增加壁厚以防腐蝕侵蝕；該工況水 （含極低微量硼元素）對316LN的年腐蝕量為0。

    4）外筒承壓設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)方法按文獻(xiàn)[1]中NB-3641.1 受內(nèi)壓直管。設(shè)計(jì)壓力所要求的非常小外筒壁厚

    式中：A為附加厚度，mm，按照表NB-3641.1（a）-1 [1] 的非鐵素體鋼管取A=0.4mm；P為設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa；D 0 為管件外徑，mm ，設(shè)計(jì)時應(yīng)采用不考慮公差的管件外徑來計(jì)算；S m為設(shè)計(jì)溫度下材料非常大許用應(yīng)力強(qiáng)度，MPa（參見ASMEBPVC-ⅡD篇非常好分篇表 [6] ）；P y 為在特定系數(shù)下的壓力值,其值p y =py（文中系數(shù)y=0.4，見ASME BPVC-ⅢNB-3641.1（c）[1] ）。

    5）選擇外筒管材規(guī)格。根據(jù)計(jì)算結(jié)果t m =6.011 mm,參照ASME B36.19M《不銹鋼鋼管》[7]選擇2 1 / 2 " SCH80的管材，其名義壁厚為7.01 mm＞計(jì)算厚度6.011 mm,故足能滿足設(shè)計(jì)要求（如圖2）。

     6）計(jì)算外筒的許用應(yīng)力。上面所選的外筒管材的實(shí)際承壓能力必須大于設(shè)計(jì)壓力。根據(jù)已經(jīng)選好的管材規(guī)格2 1 / 2 "SCH80，計(jì)算非常大許用應(yīng)力 [1] ：

    式中：S m =105 MPa （設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，參見ASME-Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能 [6] ,S m 非常大值為124 MPa，為了更安全，計(jì)算時取105 MPa）；t=7.01 mm；D 0 =73 mm；y=0.4（系數(shù)，見文獻(xiàn)[1]中的NB-3641.1）。

    7）焊縫及坡口設(shè)計(jì)。如圖2所示，該筒體上有兩道同軸對焊縫，按照文獻(xiàn)[1]中NB-4245和NB-4250的要求，焊道設(shè)計(jì)成全焊透焊縫如圖3所示。兩道焊道在全我公司自動氬弧焊專機(jī)上一次完成，能得到優(yōu)良的焊接接頭，其RT檢測可保證100%。

    2 磁浮子設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)原則應(yīng)能滿足文獻(xiàn) [1]中NB-3100和NB3200的要求；根據(jù)上述結(jié)果設(shè)定磁浮子外徑尺寸為52 mm。

    2.1 工況參數(shù)
    工況參數(shù)見第1節(jié)，取其非常大值。

    2.2 設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度
    設(shè)計(jì)壓力按文獻(xiàn)[1]中NB-3112.1規(guī)定，在計(jì)算中應(yīng)采用設(shè)計(jì)壓力以表示滿足NB-3222、NB-3227.1、NB3227.2、NB -3227.4、NB3228.1、NB -3228.2 和NB3231中所有應(yīng)力強(qiáng)度限制的要求。本文設(shè)計(jì)壓力值為17.2 MPa。

    設(shè)計(jì)溫度參照執(zhí)行文獻(xiàn) [1]NB-31112.2規(guī)定，在要求采用規(guī)定的使用壓力所進(jìn)行的所有計(jì)算中，應(yīng)采用所考慮部位的實(shí)際金屬溫度，文中設(shè)計(jì)溫度值為用戶給定值350 ℃。

    2.3 磁浮子結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
    如圖4所示，由9個外徑為52 mm 壁厚為1.2 mm的球組成,材質(zhì)為TC4;長期正常工作液面為10 ℃、密度為1.0 g/cm 3 ，此時浮子入水高度為346 mm; 當(dāng)出現(xiàn)極端狀態(tài)時288℃、密度為0.74 g/cm 3 ; 此時浮子入水高度為467 mm。以上兩個工作液面高度差為467-346=121 mm。

    2.4 磁浮子承壓計(jì)算
    首先算出系數(shù)A=0.125 /（R / T）= 0.125/（24.8/1.2） =0.006。 式中：R為球殼內(nèi)徑，mm；T為球殼壁厚，mm。

    參 考 ASME - Ⅱ《鍋爐及壓力容器》D篇材料性能 [6] ，見系數(shù)A-B表,根據(jù)TC4彈性模量求得系數(shù)B=43×10=430。用下式求得非常大允許外壓：P a =BR/T=430/ （24.8/1.2）=20.8 MPa，高 于 設(shè) 計(jì) 壓 力（17.2MPa）。

    根據(jù)計(jì)算結(jié)果得知磁浮子結(jié)構(gòu)尺寸合理可用,適合外筒設(shè)計(jì)的工作條件。

    2.5 介質(zhì)溫度的變化與量程補(bǔ)償曲線
    本磁浮子是按長期正常工作條件10 ℃、1.006 g/cm3 標(biāo)定的，當(dāng)出現(xiàn)極端條件如八級以上地震時,反應(yīng)堆的冷卻水會進(jìn)入到儀表工作區(qū)，此時的工況條件是288 ℃、5.98MPa;由于工作溫度變化很大，從10 ℃變化到288 ℃,介質(zhì)密度也相應(yīng)變化為1.0069 ~0.7507 g/cm 3 ; 磁浮子是按非常大密度設(shè)計(jì)的，所以當(dāng)工作溫度變化到288 ℃時，由于密度的變小儀表的輸出數(shù)據(jù)也要有所變化，變化差為121 mm。介質(zhì)溫度與密度對應(yīng)的曲線關(guān)系如圖5所示，溫度與量程補(bǔ)償曲線如圖6所示。

    3 與美國西屋公司同類產(chǎn)品抗震載荷分析對比
    抗震載荷測試是核反應(yīng)堆上一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，參照美國的ASME NQA-1-2004核設(shè)施質(zhì)量保證大綱要求 [2] 中地震試驗(yàn)要求，在未加固定支架情況下，對產(chǎn)品的上下部位施加6g載荷和相應(yīng)的力矩載荷，載荷震動頻率5~100 Hz,運(yùn)用FEA有限元應(yīng)力分析法進(jìn)行應(yīng)力和頻率分析對比，如表1所示。

    從表1可以看出美國西屋公司的產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到載荷震動頻率要求，實(shí)驗(yàn)中要求載荷震動頻率非常大能達(dá)到100Hz，可是該產(chǎn)品只能達(dá)到58.8 Hz，一旦超過58.8 Hz產(chǎn)品將會yongjiu變形破壞；而我公司的產(chǎn)品載荷震動頻率可以達(dá)到199.54 Hz，其性能明顯優(yōu)于美國西屋公司的產(chǎn)品。

    4 制造與工藝
    壓力儀表圓形對接頭均通過專機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化焊接，使產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量均能達(dá)到100%Ⅰ級焊縫。