核电站不同型式高温法兰及密封计算分析研究.pdf
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1、FANG Xiao-lu法2-3 。本研究以 FF 型法兰和 RF 型法兰两种不同结构的法兰为例,分别运用ASME III-2017,核设施部件建Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.016核电站不同型式高温法兰及密封计算分析研究方晓璐(中国核电工程有限公司,北京10 0 8 40)摘要:针对某基于ASME标准设计的核电站反应堆压力容器双道金属密封高温法兰的设计需求,给出两种不同结构型式的高温法兰(FF和RF型法兰)的密封预紧载荷和法兰受力校核的计算方法,并对两种不同结构型式法兰的密封
2、螺栓预紧力、螺栓截面、法兰受力等计算结果进行分析比较;另外考虑了高温和低温法兰设计的区别、有无外载荷以及不同密封形式的影响,分别进行了考虑高温、外载荷存在和双道金属线密封的法兰螺栓计算的优化,其设计理念、计算方法可供核电站用其他高温法兰借鉴。关键词:ASME;核电站;高温;法兰;密封中图分类号:TB42Abstract:In response to the design requirements of a dual channel metal sealed high-temperature flange for a nuclear power plant reactorpressure ves
3、sel based on ASME standards,a calculation method for sealing preload and flange force verification of two different structural typesof high-temperature flanges(FF and RF flanges)is provided.The calculation results of sealing bolt preload,bolt section,flange force,etc.oftwo different structural types
4、 of flanges are analyzed and compared;In addition,the differences in the design of high-temperature and low-temperature flanges,the presence or absence of external loads,and the influence of different sealing forms were considered.The optimization offlange bolt calculations considering the presence
5、of high-temperature and external loads,as well as dual metal wire sealing,was carried out.The design concept and calculation method can be used as a reference for other high-temperature flanges used in nuclear power plants.Key words:ASME;nuclear power plants;high-temperature;flange;sealing0引言核电站反应堆压
6、力容器作为承压边界,密封高温高压含放射性的一回路冷却剂并维持其压力,同时作为核电站的一道安全屏障,燃料元件破损后起着防止裂变产物外逸的功能,这也就决定了反应堆压力容器必须要保证其法兰连接密封的可靠性。反应堆压力容器法兰连接密封以及密封监测的实现,主要靠主螺栓组件和双道金属密封环 实现。反应堆压力容器法兰的连接失效会直接影响安全性、经济性和环境等。根据法兰结构的不同,ASME标准中分别有不同的螺栓预紧、密封压紧力及法兰计算方收稿日期:2 0 2 3-0 7-2 6作者简介:方晓璐(19 9 0-),女,河南许昌人,工程师,硕士,现从事核电站堆本体与非标设备设计研究工作。文献标志码:BAnalys
7、is and Calculation on Different Types of High TemperatureFlanges and Seals for Nuclear Power Plants(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840,China)文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 8 9-0 5造规则第1册,附录L和附录XI中的法兰螺栓计算方法从螺栓预紧、密封、法兰受力等方面对核电站某高温反应堆压力容器不同型式法兰的计算进行了解析。本研究所研究反应堆压力容器法兰其运行工况为高温高压,
8、温度高达50 0,且有较大的轴向力和弯矩等外载荷存在。另外该研究法兰为线密封型式的双道金属密封环,这与工程中应用较多的面密封垫片的密封原理和密封压紧力计算4-6 也有所不同。针对所研究法兰的这些特殊性,考虑到高温对材料的影响7 、外载荷存在对密封预紧载荷和螺栓截面的影响8 以及双道线密封载荷与面密封9 的不同,对ASMEI-2017第1册,附录L和附录 XI中的法兰螺栓计算方法,通过引人高温修正系数、当量设计压力、双道密封环压紧力计算等进行相应优化及计算分析研究,从而提高了高温89液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期反应堆压力容器法兰螺栓和密封设计的安全性和可靠性。1主要技术参数某四代融合
9、型高温气冷微堆核电站反应堆压力容器法兰的主要技术参数如表1所示。表1法兰主要技术参数参数设计压力/MPa设计温度/法兰材料螺栓材料法兰内径/mm法兰外径/mm2不同型式法兰结构及对应计算方法2.1FF型法兰(接触面在螺栓圆外)ASMEIII-2017核设施部件建造规则第1册,附录L的法兰螺栓计算方法,适用于直接用螺栓连接,或用以技术垫层隔开,使法兰在初始压紧后,法兰与法兰之间为金属对金属的接触,该种法兰在螺栓圆外有接触,其接触位置如图1所示。1)结构型式Ms+MpHe=hc由Hp,Hr,Hc产生的力矩:Mp=H,hp+Hha+Hchc由法兰-颈部相互作用引起的法兰力矩(根据附录L-3242,1
10、组1类法兰组件的分析):M,=+J.F-JpFMp数值(hDhc+TBBa3.3(表压)1(2 hbJs500设计工况所需螺栓最小截面积:316HAr=W71823502920(5)(6)(7)(8)h+TBB(+a其中为垫片系数,为垫片最小设计压紧应力,6为垫片有效密封宽度,G,垫片载荷作用力处的直径;p,设计压力;hc,螺栓圆至法兰衬垫或法兰与法兰切向接触处与螺栓圆之间的径向距离;t,法兰厚度,Sb,为螺栓在设计温度下的许用应力。2.2RF型法兰(密封点在螺栓圆内)ASMEII-2017核设施部件建造规则第1册,附录XI的法兰螺栓计算方法,适用于垫片完全在螺栓孔包围圆内的圆形法兰,该种法兰
11、的密封点在螺栓圆以内,其接触位置如图2 所示。1)结构型式(9)(10)图2 RF型法兰示意图Hc图1FF型法兰示意图2)计算方法W=H+Hc+Hc其中,总流体静压端部力:H=C.P4垫片密封所需要的压紧力Hc为:Hc=TGby或Hc=2Gbmp在法兰接触处法兰间的接触力:902)计算方法根据ASME附录XI,RF级法兰螺栓预紧力的计算方法,设计工况下螺栓预紧力公式为:(1)WR=Max/Wml,Wm2l其中,Wml,设计工况下的螺栓预紧力:WmI=H+Hp(2)H,设计压力作用于垫片反作用直径范围面积的流体静压端部力:(3)H=0.785G p(4)Hp,密封情况下垫片上所需的压紧载荷:Hp
12、=TGby(11)(12)(13)(14)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024或Hp=2Gbmp其中,m为垫片系数,y为垫片最小设计压紧应力,b为垫片有效密封宽度,G为垫片载荷作用力处的直径;p为内部设计压力;S,为螺栓在设计温度下的许用应力。其中,Wm,垫片压紧工况下的螺栓预紧力:Wm2.=Hp设计工况所需螺栓最小截面积:WRAR=S.3计算优化3.1考虑外载荷后的计算优化ASME-BPVC-III第1册,附录L和附录XI中两种计算方法,均未考虑外部弯矩和轴向力对法兰的作用,在外部弯矩M,和轴向力F。的外载作用下,法兰有分开的趋势并且会影响法兰的密封,将
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