高温微通道换热器安全性能分析评价方法研究

摘要: 背景：高温反应堆（HTRs）代表了第四代核技术的重要进步，其核心出口温度超过900°C。HTRs中的中间换热器（IHX）在将热量从一级回路传输到二级回路中起着至关重要的作用。然而，HTRs中IHX的技术仍处于开发阶段，这对HTRs的进步构成了重大挑战。微通道热交换器（MCHEs）因其紧凑的设计和高热效率，正在成为IHX应用的有前途的解决方案。MCHEs在高于750°C的温度下运行，根据ASME III-5标准被归类为A级组件，需要进行严格的结构安全性和完整性评估。目的：本研究的目的是评估高温MCHEs在循环条件下的安全性能。研究的重点是制定系统的方法来评估应力、应变以及疲劳损伤和寿命预测，遵循ASME III-5标准和N-898号案例。方法：本研究采用全面的有限元建模方法来分析定制设计的MCHE的宏观和微观行为。模型考虑了氩弧焊和扩散焊的影响，定义了MCHE中的焊接区域。分析涉及建立理想的弹塑性有限元模型，计算宏观和微观塑性应变与屈服应力的关系。在壳体和喷嘴等关键区域建立应力分类线，并对应力进行线性化和分类。研究还根据ASME N-898号案例进行应变评估和疲劳损伤评估，定义允许应变限值并计算等效塑性应变。结果：结果表明，所研究的MCHE符合ASME III-5和N-898号案例的要求。获得了最大疲劳损伤值，从而可以预测MCHE的最大安全使用寿命。定量结果包括关键区域如焊接区域和核心体的应力和应变计算。例如，研究发现D区域核心体的最大等效塑性应变为0.00074，低于允许的0.00110限值。关键点如热侧进口歧管的A点和冷侧出口歧管的B点的疲劳损伤值分别计算为9.3×10-8和5.1×10-7，表明在规定条件下MCHE可以安全运行超过三年。结论：研究得出结论，基于ASME III-5和N-898号案例的安全性能分析方法为评估MCHE的安全性提供了一个可靠的框架。该方法有效地考虑了核心体中的微通道结构，使得应力、应变和疲劳损伤的详细评估成为可能。研究结果确认了MCHE设计在高温反应堆中的安全性和可靠性，预测使用寿命超过三年。该研究为核应用提供了更安全高效的换热器技术的发展做出了贡献，为未来的设计和操作策略提供了宝贵的见解。