Корпус горизонтального парогенератора
Изобретение относится к ядерной энергетике, а более конкретно - к парогенераторам атомных электростанций. Корпус горизонтального парогенератора, состоящий из цилиндрических обечаек, по крайней мере, одного патрубка отвода пара, патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя, патрубка подачи питательной воды, и патрубков коллекторов теплоносителя, наружная поверхность которых имеет короткую, длинную и среднюю образующие. При этом, хотя бы один из патрубков коллекторов теплоносителя проходит внутрь цилиндрической обечайки и образует на внутренней поверхности цилиндрической обечайки выступ, высота которого неравномерна, она имеет минимальную величину над короткой и длиной образующими патрубка коллектора теплоносителя, и максимальную высоту над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя. Изобретение позволяет уменьшить металлоемкость корпуса горизонтального парогенератора, а также позволяет упростить его изготовление, снизить напряжения в местах их концентраций и увеличить прочность корпуса горизонтального парогенератора. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к ядерной энергетике, а более конкретно к парогенераторам атомных электростанций.
Известен корпус горизонтального парогенератора состоящий из цилиндрических обечаек, по крайней мере, одного патрубка отвода пара, патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя, патрубка подачи питательной воды, и патрубков коллекторов теплоносителя наружная поверхность которых имеет короткую, длинную и среднюю образующие (Б.И. Лукасевич, Н.Б. Трунов, Ю.Г. Драгунов, С.Е. Давиденко Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. стр. 191-192) - принят за прототип.
Недостатком данного корпуса горизонтального парогенератора является его высокая стоимость и ограниченный ресурс, вызванный высоким уровнем растягивающих напряжений в местах сопряжения патрубков с внутренней поверхностью цилиндрических обечаек (зоны концентрации напряжений).
Задачей изобретения является снижение стоимости корпуса горизонтального парогенератора и увеличение его ресурса.
Техническим результатом изобретения является уменьшение металлоемкости корпуса горизонтального парогенератора, упрощение его изготовления, снижение напряжений в местах концентрации и увеличение прочности корпуса горизонтального парогенератора.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном корпусе горизонтального парогенераторе, состоящем из цилиндрических обечаек, по крайней мере, одного патрубка отвода пара, патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя, патрубка подачи питательной воды, и патрубков коллекторов теплоносителя наружная поверхность которых имеет короткую, длинную и среднюю образующие, предлагается хотя бы один из патрубков коллекторов теплоносителя выполнять проходящим внутрь цилиндрической обечайки с образованием на внутренней поверхности цилиндрической обечайки выступа, высота которого неравномерна, она имеет минимальную величину над короткой и длиной образующими патрубка коллектора теплоносителя, и максимальную высоту над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, причем высота данного выступа над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя выбирается из соотношения:
где:
h - высота выступа патрубка коллектора теплоносителя на внутренней поверхности цилиндрической обечайки над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
dk – внутренний диаметр патрубка коллектора теплоносителя, мм;
dо – внутренний диаметр цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
hср – высота средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
Sк – толщина стенки патрубка коллектора теплоносителя, мм;
Sо – толщина цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
При этом толщина цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, должна удовлетворять условию:
0,022 · dо ≤ Sо ≤ 0,032 · dо. (2)
Причем хотя бы один из патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя проходит внутрь цилиндрической обечайки и образует на внутренней поверхности цилиндрической обечайки выступ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 - 6.
На фиг. 1 показан фрагмент корпуса горизонтального парогенератора.
На фиг. 2 показан вид А фрагмента корпуса горизонтального парогенератора.
На фиг. 3 показаны сечения патрубков корпуса горизонтального парогенератора.
На фиг. 4 показан 3D вид патрубка коллектора теплоносителя.
На фиг. 5 показана зона концентрации растягивающих напряжений в месте сопряжения патрубка коллектора теплоносителя с внутренней поверхностью цилиндрической обечайки при отсутствии на внутренней поверхности цилиндрической обечайки выступа.
На фиг. 6 показана зона концентрации растягивающих напряжений в месте соединения патрубка коллектора теплоносителя с цилиндрической обечайки при наличии на внутренней поверхности цилиндрической обечайки выступа.
Корпус горизонтального парогенератора является одной из основных частей горизонтального парогенератора для реакторной установки (РУ) с водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР). Корпус горизонтального парогенератора предназначен для присоединения к нему коллекторов теплоносителя, трубопровода подвода воды, паропровода и вспомогательных трубопроводов. Внутри корпуса горизонтального парогенератора устанавливаются различные внутрикорпусные устройства, при этом основной объем занимают теплообменные трубы. После монтажа всех внутрикорпусных устройств и теплообменных труб, торцы корпуса горизонтального парогенератора завариваются специальными днищами.
В заявленном в изобретении корпусе горизонтального парогенератора, состоящем из цилиндрических обечаек 1, по крайней мере, одного патрубка отвода пара 2, патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя 3, патрубка подачи питательной воды 4, и патрубков коллекторов теплоносителя 5, наружная поверхность которых имеет короткую 6, длинную 7 и среднюю 8 образующие, предлагается хотя бы один из патрубков коллекторов теплоносителя 5 выполнять проходящим внутрь цилиндрической обечайки 1 с образованием на внутренней поверхности 9 цилиндрической обечайки 1 выступа 10, высота которого неравномерна, она имеет минимальную величину над короткой 6 и длиной 7 образующими патрубка коллектора теплоносителя 5, и максимальную высоту над средней 8 образующей патрубка коллектора теплоносителя 5, причем высота данного выступа 10 над средней 8 образующей патрубка коллектора теплоносителя 5 выбирается из соотношения:
где:
h - высота выступа патрубка коллектора теплоносителя на внутренней поверхности цилиндрической обечайки над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
dk – внутренний диаметр патрубка коллектора теплоносителя, мм;
dо – внутренний диаметр цилиндрической обечайки к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
hср – высота средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
Sк – толщина стенки патрубка коллектора теплоносителя, мм;
Sо – толщина цилиндрической обечайки к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
При этом толщина цилиндрической обечайки 1 к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя 5 удовлетворяет условию:
0,022 · dо ≤ Sо ≤ 0,032 · dо.
Причем, хотя бы один из патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя проходит внутрь цилиндрической обечайки 1 и образует на внутренней поверхности 9 цилиндрической обечайки 1 выступ 11.
Процесс изготовления корпуса горизонтального парогенератора (фиг. 1) можно упрощенно разделить на следующие этапы:
1. сварка цилиндрических обечаек 1 между собой;
2. сверление отверстий под основные патрубки;
3. приварка основных патрубков (отвода пара 2, обслуживания коллекторов теплоносителя 3, подачи питательной воды 4, коллекторов теплоносителя 5);
4. приварка штуцеров и внутрикорпусных элементов;
5. термическая обработка, контроль качества изготовления.
После выполнения данных этапов, изготовленный корпус горизонтального парогенератора поступает для сборки непосредственно парогенератора.
При работе в составе РУ корпус парогенератора является одним из барьеров безопасности и отделяет котловую воду и пар второго контура от внутренних объемов герметичной оболочки, при этом корпус горизонтального парогенератора в основном нагружен давлением и температурой от находящейся внутри него котловой воды и пара второго контура.
При проектировании корпуса горизонтального парогенератора основным требованием является обеспечение его прочности и долговечности. Учитывая наличие в корпусе горизонтального парогенератора значительного количества отверстий, каждое из которых приводит к снижению прочности, проектировщики вынуждены увеличивать толщину корпуса горизонтального парогенератора для обеспечения критериев прочности. Чем больше диаметр отверстия, тем больше оно снижает прочность, поэтому наибольший вклад в снижение прочности корпуса горизонтального парогенератора вносят отверстия патрубков коллекторов теплоносителя 5. Способ увеличения прочности корпуса горизонтального парогенератора путем увеличения его толщины использован во всех горизонтальных ПГ начиная с ПГВ-3 (1960-е годы) и заканчивая современными ПГВ-1000МКО (ВВЭР ТОИ). Данный способ является простым по своей сути, но имеет два существенных недостатка:
1. Значительно увеличивается масса, время изготовления и стоимость корпуса горизонтального парогенератора;
2. Увеличение толщины корпуса горизонтального парогенератора не приводит к снижению растягивающих напряжений в зонах концентрации (зоны сопряжения внутренней поверхности патрубков с внутренней поверхностью 9 корпуса горизонтального парогенератора), которые определяют циклическую прочность и ресурс корпуса горизонтального парогенератора.
Для решения данных недостатков в предлагаемом изобретении обеспечение прочности корпуса горизонтального парогенератора выполнено за счет укрепления отверстий внутренними выступами (фиг. 2).
Известные способы укрепления отверстий путем укрепления их с внутренней стороны сосуда предлагают располагать на внутренней образующей, ослабленного отверстием сосуда, патрубок или штуцер равномерного сечения относительно оси такого патрубка и с равномерной высотой внутреннего выступа. Данный способ не применим для укрепления отверстия под патрубок коллектора теплоносителя 5 в цилиндрической обечайки 1 корпуса горизонтального парогенератора т.к. выступающий внутрь цилиндрической обечайки 1 патрубок равномерного сечения и с равномерной высотой выступающих внутрь корпуса горизонтального парогенератора стенок мешает расположению теплообменных труб и других внутрикорпусных устройств.
В предлагаемом изобретении для укрепления отверстия под патрубок коллектора теплоносителя 5 используется внутренний выступ 10, проходящего внутрь цилиндрической обечайки 1, патрубка коллектора теплоносителя 5 имеющий неравномерную высоту (фиг. 4). Исследования прочности патрубка коллектора теплоносителя 5 выполненные в 3D постановке с применением метода конечных элементов показали, что для укрепления отверстия в цилиндрической обечайке 1 под данный патрубок достаточно укрепить выступом 10 наиболее напряженное сечение цилиндрической обечайки 1, расположенное над средней 8 образующей патрубка коллектора теплоносителя 5, при этом сечения цилиндрической обечайки 1 над короткой 6 и длиной 7 образующими патрубка коллектора теплоносителя 5 можно не укреплять. Необходимая для обеспечения прочности высота выступа 10 над средней 8 образующей патрубка коллектора теплоносителя 5 выбирается из эмпирического соотношения (1). Эмпирическое соотношение (1) учитывает степень ослабления цилиндрической обечайки 1 отверстием патрубка коллектора теплоносителя 5, учитывает укрепление цилиндрической обечайки 1 наружной частью патрубка коллектора теплоносителя 5 и учитывает наличие избыточной толщины цилиндрической обечайки 1. Полученная в результате расчета по эмпирической формуле (1) высота выступа 10 позволяет обосновать прочность цилиндрической обечайки 1 даже при минимальных толщинах данной обечайки удовлетворяющих условию (2). При значениях Sо менее 0,022 · dо прочность даже не ослабленной отверстиями цилиндрической обечайки перестает удовлетворять критериям прочности, а при значениях Sо более 0,032 · dо избыточной толщины цилиндрической обечайки 1 достоточно для обеспечения ее прочности и без укрепляющего выступа 10.
Отверстия в цилиндрической обечайке 1 от патрубков обслуживания коллекторов 3 имеют диаметр меньше, чем отверстия патрубков коллекторов теплоносителя 5, поэтому в меньшей степени снижают прочность цилиндрической обечайки 1. Для укрепления отверстий в цилиндрической обечайке 1 от патрубков 3 необходимо вваривать данные патрубки в цилиндрическую обечайку 1 с образованием выступа 11 (фиг. 3).
При нагружении корпуса горизонтального парогенератора давлением и температурой от находящихся внутри него котловой воды и пара происходит рост напряжений во всех элементах корпуса горизонтального парогенератора. В наибольшей степени растут растягивающие напряжения в зоне концентрации напряжений, к таким зонам относится сопряжение внутренней поверхности присоединенных к корпусу горизонтального парогенератора патрубков с внутренней поверхностью 9 корпуса горизонтального парогенератора. Как правило, подобное сопряжение выполняется по радиусному переходу. На фиг. 5 показано распределение интенсивности напряжений в месте сопряжения патрубка коллектора теплоносителя 5 с внутренней поверхностью 9 цилиндрической обечайки 1 при отсутствии на внутренней поверхности 9 цилиндрической обечайки 1 выступа 10, т.е. в существующем варианте корпуса горизонтального парогенератора (расчет напряжений проведен в 3D постановке с использованием метода конечных элементов). Из фиг. 5 видно, что даже, несмотря на значительную толщину Sо цилиндрической обечайки 1, в зоне концентрации напряжения в несколько раз превышаю средние напряжения по корпусу горизонтального парогенератора и данная зона лимитирует циклическую прочность, а как следствие, ограничивает ресурс корпуса горизонтального парогенератора.
При наличии на внутренней поверхности 9 цилиндрической обечайки 1 выступа 10, высота которого удовлетворяет зависимости (1), а толщина Sо цилиндрической обечайки 1 выбрана из соотношения (2), величина растягивающих напряжений (фиг. 6) в месте соединения патрубка коллектора теплоносителя 5 с цилиндрической обечайки 1 существенно меньше, чем в существующем варианте корпуса горизонтального парогенератора, следовательно, предлагаемый в изобретении вариант обладает повышенной циклической прочностью и ресурсом по сравнению с прототипом. При этом толщина Sо цилиндрической обечайки 1 в предлагаемом варианте меньше, чем в прототипе, значит, предлагаемый корпус горизонтального парогенератора обладает меньшей массой. Более тонкие цилиндрические обечайки 1 легче и дешевле в производстве, при этом сварка таких цилиндрических обечаек 1 проходит быстрее и на процесс сварки расходуется меньшее количество сварочных материалов.
Таким образом, предлагаемый корпус горизонтального парогенератора по сравнению с прототипом обладает уменьшенной металлоемкостью, уменьшенной трудоемкостью при изготовлении, пониженным уровнем напряжений в местах концентрации, увеличенной прочностью и ресурсом.
Экономическая эффективность применения предлагаемого технического решения определяется снижением времени на изготовление более тонких цилиндрических обечаек и их сварку, снижением стоимости корпуса горизонтального парогенератора, увеличенным ресурсом корпуса горизонтального парогенератора, что позволяет увеличить срок службы парогенератора, оснащенного данным корпусом горизонтального парогенератора, и всей реакторной установки, а, следовательно, увеличить выработку электрической энергии на АЭС.
1. Корпус горизонтального парогенератора, состоящий из цилиндрических обечаек, по крайней мере, одного патрубка отвода пара, патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя, патрубка подачи питательной воды, и патрубков коллекторов теплоносителя, наружная поверхность которых имеет короткую, длинную и среднюю образующие, отличающийся тем, что хотя бы один из патрубков коллекторов теплоносителя проходит внутрь цилиндрической обечайки и образует на внутренней поверхности цилиндрической обечайки выступ, высота которого неравномерна, она имеет минимальную величину над короткой и длиной образующими патрубка коллектора теплоносителя, и максимальную высоту над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, причем высота данного выступа над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя выбирается из соотношения:
где:
h - высота выступа патрубка коллектора теплоносителя на внутренней поверхности цилиндрической обечайки над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
dk – внутренний диаметр патрубка коллектора теплоносителя, мм;
dо – внутренний диаметр цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
hср – высота средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
Sк – толщина стенки патрубка коллектора теплоносителя, мм;
Sо – толщина цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
при этом толщина цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, должна удовлетворять условию:
0,022 ⋅ dо ≤ Sо ≤ 0,032 ⋅ dо.
2. Корпус горизонтального парогенератора по п.1, отличающийся тем, что хотя бы один из патрубков обслуживания коллекторов теплоносителя проходит внутрь цилиндрической обечайки и образует на внутренней поверхности цилиндрической обечайки выступ.
