□ 李继红 □ 冯 光

1.散裂中子源科学中心 广东东莞 523808 2.中国科学院高能物理研究所东莞分部 广东东莞 523803

1 设计背景

中国散裂中子源作为“十一五”期间国家重点建设的十二个重大科技基础设施项目之首,由中国科学院和广东省共同建设,是我国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源,填补了我国脉冲中子源应用领域的空白,为材料科学、物理学、化学化工、资源环境、生命科学和新能源等学科领域的突破提供了重要研究手段。其中,水冷系统主要吸收加速器和靶站谱仪等各种设备所产生的热量,使水质保持在一定的电导率以内,以降低用电设备的漏电流,防止腐蚀结垢,提高设备的散热效率,尽量减少水体的感生活化,防止水中活化颗粒散发于大气中。水冷系统由一次水系统、二次水系统、低放废水收集及排放系统、纯水补水系统和水冷监控系统组成[1-2]。

2 设计要求

由于系统设备需要通电运行,会产生大量的热量,一次水系统主要通过冷冻水直接将设备产生的热量带走,从而达到冷却设备的目的。一次水系统冷却介质为去离子水,系统总设计循环流量为1 965 m3/h,总设计负荷为14 321 kW。冷却水过滤器主要应用在一次水系统,过滤一些固体颗粒杂质[3]。由于该系统冷冻水直接与加速器设备接触,水质会不同程度地受到放射性污染,因此过滤器设计要保留一定的阈度。一次水系统的设计压力为1.6 MPa,因此冷却水过滤器的设计压力为1.6 MPa,设计温度50 ℃。如图1所示,冷却水过滤器结构主要包括筒体、上下封头、密封法兰、过滤筒、支腿等[4]。

3 过滤器强度计算

筒体和封头是冷却水过滤器主要的承压部件,为了保证正常运行,设计时主要对这两个部件进行强度计算[5]。由于工艺的要求,筒体和封头有多种接管,选择其中一种接管进行强度计算。

3.1 筒体

筒体材料选用S30408,为了减少焊缝数量,使用无缝钢管进行制造[6],在设计温度下的许用应力为116 MPa。筒体的计算厚度δ1为[7]:

式中:Pc为计算压力,Pc=1.6 MPa;Di为内径,Di=510 mm;[σ]t为设计温度下的许用应力,[σ]t=116 MPa;φ为焊接接头因数,φ=0.85。

▲图1 冷却水过滤器结构

有效厚度δe为:

δe=δn-C1-C2=7.5 mm

式中:δn为名义厚度,δn=10 mm；C1为钢板负偏差,C1=1 mm;C2为腐蚀余量,C2=1.5 mm。

在筒体名义厚度取10 mm的情况下,反向进行压力和应力的校核。在此条件下，最大许用工作压力[Pw]为:

设计温度下的计算应力σt为:

校核条件为[σ]tφ=98.6 MPa≥σt,因此该设计壁厚符合要求。

根据GB/T 150—2011《压力容器》等面积补强法计算接管补强面积。计算压力为1.6 MPa,壳体材料S30408的名义厚度为10 mm,接管材料S30408的规格为φ150 mm×6 mm,则有：

A1+A2+A3+A4=637 mm2≥A=616.49 mm2

式中:A1为壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,A1=450 mm2;A2为接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,A2=172 mm2;A3为有效补强区内焊缝金属的截面积,A3=15 mm2;A4为有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积,A4=0;A为所需最小的补强面积。

通过上述计算,接管处不需要另外进行补强。

3.2 封头

过滤器上下封头采用标准的椭圆形封头,材料均为S30408。

形状因数K为:

计算厚度δ2为:

有效厚度δe为:

δe=δn-C1-C2=6.2 mm

式中:Pc=1.6 MPa;Di=514 mm;hi为曲面高度,hi=128.5mm;[σ]t=137 MPa;δn=8 mm;C1=0.8 mm;C2=1.5 mm;φ=0.85。

在封头名义厚度为8 mm的情况下进行压力校核,最大允许工作压力[Pw]为:

该厚度的封头强度符合要求。

根据GB/T 150—2011等面积补强法计算接管补强面积。计算压力为1.6 MPa,壳体材料S30408的名义厚度为8 mm,接管材料S30408的规格为φ150 mm×6 mm,A1=398 mm2,A2=146 mm2,A3=12 mm2,A4=0 mm2,则有:

A1+A2+A3+A4=556 mm2≥A=484.45 mm2

上述计算表明接管处不需要另外进行补强。

4 有限元强度校核

采用有限元仿真软件进行强度验证,以检验力学计算的正确性。应用Inventor应力分析模块对该设备的受力情况进行仿真,Inventor是美国AutoDesk公司推出的参数化实体模拟软件。与其它同类产品相比,该软件在用户界面、三维运算速度和显示着色功能有突破性进展[8]。

建立过滤器模型,进行网格划分。平均元素取0.1,最小元素取0.2,分级因数为1.5,最大转角为60°。通过仿真计算得到应力云图和横向、纵向变形云图,根据应力及变形云图可以得到过滤器各部分的应力、变形大小及最大应力和最大变形的位置[9]。

Von Mises是一种屈服准则,屈服准则的值通常叫等效应力,它遵循材料力学第四强度理论。通过图2可以得到过滤器筒体和封头的最大等效应力为44.23 MPa,小于计算出的设计温度下的应力水平。图3显示横向变形最大为0.05 mm,图4显示纵向变形最大为0.10 mm,过滤器的强度和刚度都满足要求。使用有限元仿真软件进行受力分析,所得结果与理论计算所得结果较为吻合,互相印证了强度设计的安全性。

5 工艺及测试

由于过滤器冷却介质的特殊性,为了保证过滤器的制造质量,减少纵焊缝的数量,筒体采用φ530 mm×10 mm的无缝不锈钢管加工制造。封头与筒体对接外错边量小于1 mm,内部焊缝应磨平后抛光,外部焊缝应打磨圆滑过渡。过滤筒采用φ325 mm×6 mm的无缝不锈钢管,由于内筒壁较厚,不能使用冲压成孔的方式进行,因此过滤筒采用钻孔方式制造。在内筒外围使用80目的不锈钢滤网通过卡箍锁紧,制成过滤筒。筒体部分A、B类焊缝均应按JB/T 4730—2005《承压设备无损检测》的规定进行100%射线探伤,不低于Ⅱ级为合格。其余的焊缝应进行100%渗透探伤检测及外观检查,不得有表面缺陷存在,Ⅰ级为合格。凡属质量检验不合格的焊缝,应按有关规定进行焊接修补,同一部位返修次数不宜超过两次[10]。筒体建造完毕后应用去离子水进行水压试验,试验压力为1.6 MPa。当水压试验压力达到1.6 MPa时,30 min内无压降,且无渗无漏、无可见变形和异常响声即为合格。水压试验后应将水渍清除干净。当试验水质无法达到这一要求时,必须确保试验用水的氯离子含量不超过25 mg/L。

▲图2 等效应力云图▲图3 横向变形云图▲图4 纵向变形云图

6 结束语

冷却水过滤器是中国散裂中子源水冷系统重要设备之一。由于被冷却设备的特殊性,对过滤器质量要求较高。根据工艺的要求,笔者设计了一种冷却水过滤器。这一冷却水过滤器结构简单,制造方便,易于清洗,造价较低。根据GB/T 150—2011的要求进行有限元仿真,并对设备的强度进行验算,符合设计要求。该设备在实际使用过程中较好地满足了工艺的要求。