Корпус горизонтального парогенератора
HORIZONTAL STEAM GENERATOR CASE

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:
,  (1)
где:
h - высота выступа патрубка коллектора теплоносителя на внутренней поверхности цилиндрической обечайки над средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
k
d – внутренний диаметр патрубка коллектора теплоносителя, мм;
о
d– внутренний диаметр цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
ср
h – высота средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
к
S – толщина стенки патрубка коллектора теплоносителя, мм;
о
S – толщина цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
– коэффициент, учитывающий избыточную толщину цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм.
При этом толщина цилиндрической обечайки, к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, должна удовлетворять условию:
о
о
о
0,022 · d ≤  S ≤ 0,032 · d.       (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;
k
d – внутренний диаметр патрубка коллектора теплоносителя, мм;
о
d– внутренний диаметр цилиндрической обечайки к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
ср
h – высота средней образующей патрубка коллектора теплоносителя, мм;
к
S – толщина стенки патрубка коллектора теплоносителя, мм;
о
S – толщина цилиндрической обечайки к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм;
– коэффициент учитывающий избыточную толщину цилиндрической обечайки к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя, мм.
При этом толщина цилиндрической обечайки 1 к которой присоединен патрубок коллектора теплоносителя 5 удовлетворяет условию:
о
о
о
0,022 · d ≤  S ≤ 0,032 · d.
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.
о
о
о
о
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 Sменее 0,022 · dпрочность даже не ослабленной отверстиями цилиндрической обечайки перестает удовлетворять критериям прочности, а при значениях Sболее 0,032 · dизбыточной 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).
о
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 S 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.
о
о
При наличии на внутренней поверхности 9 цилиндрической обечайки 1 выступа 10, высота которого удовлетворяет зависимости (1), а толщина S 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 S 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.