压水堆核电站常用约翰逊网结构优化设计

（山东核电设备制造有限公司，山东 海阳 265118）

摘  要：压水堆核电站除盐床设备中使用了约翰逊网结构，由于在核电站寿期内难以修理或更换，要求该结构需要具有极高的可靠性。本文分析了约翰逊网结构的失效原因，在充分考虑约翰逊网使用工况和受力状况的基础上，提出了可行的设计优化方案，并经工程验证效果良好，对类似约翰逊网的结构的设计具有一定的借鉴意义。

关键词：压水堆核电站；混床与阳床；约翰逊网；优化设计

基金项目：“烟台市产业领军人才”专项经费资助

前 言

约翰逊网在国外已有100年的应用历史，被广泛用于给排水、化工、矿产、造纸和食品加工等行业设备中。国内在上世纪80年代后期引进了约翰逊网技术，目前较多应用于炼油、石化、化工行业^[1~2]。

约翰逊网由网丝和支撑杆组成，通过调整网丝排列间隙来确定过滤精度，支撑杆起连接网丝并提供强度支撑作用。与传统金属丝网、多孔板相比，约翰逊网具有强度大、精度高、开孔率高、不易堵塞、树脂不易破碎等优点^[3]。由于约翰逊网丝本身的特殊结构，树脂在上部流动更加平滑，反冲洗时更易排出。

在核电机组中离子交换技术在核电一回路水质净化及二回路凝结水处理系统中得到了广泛、有效的应用^[4~5]。为避免离子交换设备中树脂颗粒进入系统，AP1000第三代压水堆核电站离子交换系统中的离子交换床、混床与阳床等设备的过滤元件采用了约翰逊网结构^[6]。该结构在国内核电站领域尚属首次应用，在设计、制造过程中可借鉴的经验较少。本文通过分析原有约翰逊网与设备之间连接形式存在问题，提出了一种新型连接结构形式，并已得到了工程验证。

1 核电用树脂床设备中的约翰逊网结构

AP1000第三代压水堆核电用树脂床设备CVS混床与阳床的主要功能是除去所在系统（化学容积系统）内腐蚀产物、裂变产物，以保证所在系统正常运行。

1.1 设备结构特点

CVS混床与阳床为立式容器，由筒体、封头形成了设备密闭空间，容器顶部及底部设有树脂进口、树脂出口、废水进口、废水出口（反冲水进口）和反冲水出口等工艺管口。其中底部设置约翰网板作为树脂床，起净化作用的过滤树脂位于约翰逊网上部，反冲洗水出口设有约翰逊网管，设备的结构形式如图1。约翰逊网板与设备在中心及边缘处，与封头底部接管、筒体两处有连接，常规连接形式详见图2。由于设备内部介质具有放射性，未设计可拆结构，因此对内部部件本体以及与设备连接处的可靠性要求较高。

1.2 原结构存在的问题

约翰逊管与网板的连接方式均采用焊接连接，其中作为树脂床的约翰逊网板，由于尺寸较大、焊接变形不规则等，易出现间隙超差的问题。当约翰逊网板与设备壳体、接管按照图2的连接形式制造时，因筒体椭圆度造成的间隙不统一、焊后残余应力及因设备在水压试验或运行过程中因内压产生的筒体协调变形等因素对约翰逊结构存在影响，在实际制造过程中，部分设备内部的约翰逊网结构存在间隙超差开裂的问题。

由于设备结构所限，无法在设备制造完成后或运行过程中对内部约翰逊网丝间隙进行检查、维修，避免约翰逊网在制造、运行过程中出现间隙超差的问题是结构设计的关键。

2 优化设计方案

鉴于约翰逊网板出现间隙超标问题的根本原因，在进行结构设计时，应尽可能减少约翰逊网板结构与设备之间的焊接量，并保证网板在工作过程中的变形量对自身结构无影响，本文从约翰逊网本体结构、约翰逊网与设备的连接形式及辅助部件设计三方面对约翰逊网结构进行了优化。

2.1 减小设备对约翰逊网外环的约束

原有约翰逊网与筒体的连接方式采用的是约翰逊网外环直接与筒体焊接结构，该结构形式增加了筒体变形对约翰逊网的约束，并且焊接残余应力会导致约翰逊网丝间隙增大。

结构优化后，在约翰逊网结构上部增加压环，压环与约翰逊网外环为间隙配合，在压环与约翰逊网外环的外侧焊接柔性较大的密封环1。在压环的顶部设置密封环2，密封环2与压环和筒体焊接，防止物料从筒体与约翰逊网外环的间隙泄露。约翰逊网不与筒体直接焊接，从而避免了筒体在压力试验时筒体变形对约翰逊网的影响。

2.2 降低底封头变形对的影响

在原设计方案中，约翰逊网及底封头通过中心管直接焊接连接，在焊接和封头的压力试验时，封头变形同样会导致约翰逊网产生变形。

结构优化后，将中心管改为两段，两段接管的连接方式为内侧承插连接，承插间隙应满足约翰逊网的最大变形量；外侧增加膨胀节作为密封装置并吸收封头变形引起的膨胀量。

2.3 增加防冲板

在反冲工况下，接管流速约为1.85m/s，可直接对约翰逊网造成冲击。为避免约翰逊网被直接冲击，在反冲水进口处增加防冲结构。

3 约翰逊网结构优化方案的分析验证

通过计算及模拟分析，对优化后的结构进行了分析。

3.1 设计参数

约翰逊网的设计要点为网丝丝径、网丝间隙、约翰逊网面积、支撑杆杆径、支撑杆间距、网丝和支撑杆焊点强度，另需考虑承载格栅规格及间距、支撑杆与格栅焊点布置。

在充分考虑上述原则的基础上，设计流量按17m3/h，丝径规格按约翰逊网厂家提供的2.5mm×3.5mm规格，网丝间隙按0.105mm。

3.2 使用工况及其载荷组合

约翰逊网使用工况及其承受载荷如表2所示。

表1 约翰逊网使用工况及载荷组合表

对约翰逊网的使用工况进行分析可知，在操作工况（堵塞）及反冲工况下，流阻较大，主要存在内压（含压力波动）、物料自重、流阻、反冲洗等影响因素。

3.3 工况分析

3.3.1 内压对约翰逊网的受力影响

在内压作用下筒体和封头受到压力，发生弹性变形，筒体膨胀扩大，椭圆形封头趋于球形。约翰逊网因需协调筒体、封头的变形，网丝将处于拉伸状态，其网丝间隙会变大，可能造成超标间隙，特别是垂直于网丝缝隙的方向。

此外，多次反复开停车及运行时设备内部压力波动，会致使网丝与支撑杆的焊缝产生疲劳载荷，而导致焊点脱落。

3.3.2 物料自重对约翰逊网的影响

根据截留杂质的不同，过滤介质分树脂、活性炭、沸石等，介质填装后，其本身自重会对约翰逊网产生重力载荷的作用。

3.3.3 流阻对约翰逊网的受力影响

流体流经约翰逊网后会产生阻力降，过大的阻力降需约翰逊网具有足够的强度。对于阻力降的计算可根据《Perry’s 化学工程手册》（《Perry’s Chemical Engineer’s Handbook》）第五章关于微孔板的质量流率计算公式整理可得阻力降计算公式[6]。

        （1）

3.3.4 反冲洗对约翰逊网的作用

设备长时间运行后需更换过滤介质，为便于过滤介质的排出，常采用反冲洗措施。反冲力长时间直接作用在约翰逊网上时将影响约翰逊网质量，如焊点可能脱落。

结合上述对使用工况及载荷组合分析情况，在充分考了虑内压、物料重力、约翰逊网面流阻、压力波动、反冲洗对约翰逊网的影响等因素的基础上，对约翰逊网的结构强度进行了计算。经过计算，在该参数计结构下，约翰逊网的结构强度、阻力降均合格。

4 其他措施

4.1 约翰逊网部件制造

因约翰逊网部件在寿期内无法进行维修或更换，因此在制造的过程中，需严格控制各工序质量。约翰逊网制造及其部件组装过程中，应着重关注：

1.网丝与支撑杆焊点的可靠性，严格控制约翰逊网面的产品质量

2.约翰逊网与其他零部件组焊时的网丝间隙控制和测量

3.制造过程中的网丝表面的保护

4.2  系统运行前后的要求

在系统管道安装、清洁、冲洗等阶段，应采取措施，如对设备进行隔离，避免焊渣、异物等腐蚀、堵塞约翰逊网。

在系统试验、运行时，应保证系统运行工况的平稳。特别是在开、停车过程中，应在系统操作手册中明确泵、阀门设备的开闭时间等参数，以避免造成较大的压差，从而消除对约翰逊网的破坏。

5  结论

通过对约翰逊网失效原因的分析，以及在压水堆核电中约翰逊网设备的工况分析和约翰逊网部件的受力分析基础上，提出了约翰逊网的优化连接方案，并通过对约翰逊网结构强度、阻力降等参数的计算，验证了设计的合理性，为后续同类型约翰逊网设备的设计提供了很好的借鉴意义。

参考文献：

[1] 钱小燕.国产约翰逊网在固定床反应器中的应用 [J].化工设备与管道，2006，43（2）：20-23.

[2] 陈俊.连续重整装置反应器约翰逊网失稳分析及制造与安装[J].压力容器杂志社,2005,07:29-32.

[3] 李世杰，陶军.约翰逊网与编织网的流体阻力降计算值之比较[J].辽宁化工，2007，36（12）：842-848.

[4] 林诚格.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京:原子能出版社，2010.

[5] 柳丹,刘杰安,何艳红等.核电厂废液处理系统离子交换处理工艺研究[J].原子能科学技术,2015,(9):1565-1572.

[6] 桂璐廷.AP1000化容系统树脂床的设置改进探讨 [J].设备管理与改造，2015，（24）：60-61.

 来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>