壓水堆核電站管道開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的分析

方紹 鄧晶君 劉志旺

摘 要：我國目前在建核電機(jī)組以M310技術(shù)改進(jìn)堆為主，且其設(shè)計規(guī)范RCC-M 2000&2002是采用等面積法進(jìn)行管道開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的。RCC-M規(guī)范在使用等面積法時，對其限制范圍、限制條件以及不同管道承壓介質(zhì)工況參數(shù)和安全分級的使用區(qū)別沒有明確說明。從等面積法的理論依據(jù)、適用范圍、疲勞工況下的應(yīng)用以及RCC-M規(guī)范B篇和C/D篇的規(guī)定差異出發(fā)，進(jìn)行分析并總結(jié)出等面積法適用范圍、限制條件以及注意點，為設(shè)計人員正確理解及使用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：開孔補(bǔ)強(qiáng) 等面積法 適用性

中圖分類號：TM621.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）007-021-03

1 引言

在核電站管道安裝和修理改造過程中，由于工藝或結(jié)構(gòu)上的要求、施工環(huán)境條件的限制，經(jīng)常需要開孔安裝接管。管道開孔后，由于其結(jié)構(gòu)連續(xù)性的破壞，使其開孔邊緣產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，為降低開孔邊緣的應(yīng)力，應(yīng)在開孔邊緣處采取開孔補(bǔ)強(qiáng)措施。國內(nèi)外壓力容器（管道）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計方法主要有兩種，即以ASME規(guī)范為代表的等面積法和歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13445為代表的壓力面積法。我國目前在建核電機(jī)組以M310技術(shù)改進(jìn)型為主，且基于M310堆型的法國壓水堆核電站設(shè)計規(guī)范RCC-M 2000&2002版是采用等面積法進(jìn)行管道開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的，但等面積法僅適用于開孔率d/D≤0.5的殼體小開孔補(bǔ)強(qiáng)，對d/D>0.5的開孔等面積法無法保證足夠的安全性，且該法不適用于有疲勞強(qiáng)度要求的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算。

RCC-M規(guī)范對等面積法未明確其適用范圍（即對開孔尺寸作出限制），而是通過對開孔連接處進(jìn)行應(yīng)力校核，以評定補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的安全性，理論上是允許的。但卻使得補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計趨于復(fù)雜，且應(yīng)力評定未必能通過；同時，針對有疲勞分析要求的補(bǔ)強(qiáng)，筆者分析后發(fā)現(xiàn)RCC-M規(guī)范采用了應(yīng)力指數(shù)法和疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)對開孔處進(jìn)行疲勞評定，彌補(bǔ)了等面積法在疲勞強(qiáng)度校核的不足，但指數(shù)法進(jìn)行疲勞鑒定時對管道開孔尺寸、連接結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)處的圓角過度等要求是很嚴(yán)格的。RCC-M規(guī)范在定義接管幾何尺寸、圓角過度等限制條件時并未明確其與疲勞分析的關(guān)系，這樣容易導(dǎo)致設(shè)計人員在正確理解和使用設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計時感到迷茫，為設(shè)計質(zhì)量的保證帶來了一定的風(fēng)險。另外，核電站由于管道承壓介質(zhì)工況參數(shù)和安全分級的差異，RCC-M規(guī)范在等面積補(bǔ)強(qiáng)法的應(yīng)用上B篇和C/D篇存在很大區(qū)別，主要體現(xiàn)在“補(bǔ)強(qiáng)有效范圍”的定義和補(bǔ)強(qiáng)圈的使用上，這些區(qū)別在規(guī)范的應(yīng)用中也需設(shè)計人員格外重視的重視。

本文從等面積法的理論依據(jù)、適用范圍、疲勞工況下的應(yīng)用以及RCC-M規(guī)范B篇和C/D篇的差異出發(fā)，進(jìn)行分析并總結(jié)出等面積法適用范圍、限制條件以及注意點，為設(shè)計人員正確理解和使用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計提供參考。

2 等面積補(bǔ)強(qiáng)法的理論依據(jù)

管道開孔并連接支管后，引起了三個問題：（1）由于開孔而使管道承載截面積的削弱，其值為dtr；（2）管道上因開孔而引起的孔邊應(yīng)力集中，其存在范圍，從開孔中心算起大致為d；（3）因接管和主管構(gòu)成不連續(xù)結(jié)構(gòu)，在主管上引起了附加的不連續(xù)應(yīng)力，其存在范圍，大致和不連續(xù)應(yīng)力的衰減范圍成正比。這三者對管道開孔的最終影響是，在接管周圍一定范圍內(nèi)應(yīng)力增大，從而降低管道的承載能力，所以必須“補(bǔ)強(qiáng)”。

等面積補(bǔ)強(qiáng)法原理是管道上開孔而引起削弱的承載面積，應(yīng)由主管、接管在各自“補(bǔ)強(qiáng)有效范圍”內(nèi)除承壓所需截面積外多余的金屬面積，不包括腐蝕裕量。以及與管道壁全焊透的焊縫金屬和補(bǔ)強(qiáng)圈。其設(shè)計的基本公式為：

其中：、分別為在補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)主管、支管除承受壓力所需厚度之外的多余截面積；為全焊透式的焊縫金屬截面積；為補(bǔ)強(qiáng)圈截面積。

3 等面積補(bǔ)強(qiáng)法適用范圍的分析

等面積補(bǔ)強(qiáng)法源于無限大平板開小圓孔的力學(xué)模型，當(dāng)d/D較小時（ASMEⅧ-1規(guī)定d/D>0.5的開孔為大開孔），殼體曲率的影響可忽略不計，將開孔附近的殼體近似看作平板，誤差很??；但當(dāng)d/D較大時，殼體曲率的影響不可忽略，在開孔邊緣引起的附加彎曲力矩等會導(dǎo)致邊緣的應(yīng)力狀態(tài)惡化，則基于平板開小圓孔的等面積補(bǔ)強(qiáng)法不適用。

RCC-M規(guī)范在使用等面積法時未對開孔尺寸作出明確限制，但筆者經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)規(guī)范對管道開孔處進(jìn)行應(yīng)力校核，以評定補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的安全性，理論上是允許的，但卻使得補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計趨于復(fù)雜。規(guī)范在應(yīng)力指數(shù)的應(yīng)用條件上作出了限制：管道開孔支管連接滿足r'm / Rm ≤0.5的條件。將公式平均半徑轉(zhuǎn)換為直徑，即RCC-M規(guī)范對管道小開孔的限定條件r'm / Rm ≤0.5與ASME Ⅷ-1規(guī)范小開孔規(guī)定d/D≤0.5的條件是一致的。從某種程度來講，RCC-M規(guī)范制定者意識到d/D>0.5管道大開孔應(yīng)力惡化的問題，因此在應(yīng)力指數(shù)應(yīng)用上對開孔尺寸進(jìn)行了變相的規(guī)定。同時，對d/D>0.5的管道開孔應(yīng)力指數(shù)的選取，RCC-M規(guī)范沒有相應(yīng)的推薦值，應(yīng)力指數(shù)的選取只能參考傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)驗設(shè)計選取值，降低了應(yīng)力評定的有效性，且應(yīng)力評定未必能通過。

基于上述分析，筆者認(rèn)為在核電站管道開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計時，開孔尺寸應(yīng)明確d/D≤0.5的限定條件，以滿足等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用條件；同時，對于d/D>0.5的管道開孔支管連接設(shè)計，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)系列的三通、管座連接，以滿足支管連接處的安全要求。

4 疲勞工況下的等面積法應(yīng)用的分析

核電站的疲勞現(xiàn)象是不容忽視的，而等面積補(bǔ)強(qiáng)法盡管不適用于有疲勞強(qiáng)度要求的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算， 筆者經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)RCC-M規(guī)范采用了應(yīng)力指數(shù)法和疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)法對開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計進(jìn)行疲勞分析的補(bǔ)充，彌補(bǔ)了等面積法在疲勞強(qiáng)度校核的不足。同時，指數(shù)法免除了開孔處疲勞校核的有限元計算或試驗分析，使得疲勞評定簡單有效，使用方便。張鐵鋼在文獻(xiàn)中論證了采用應(yīng)力指數(shù)和疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)進(jìn)行疲勞估算時需注意：連接結(jié)構(gòu)必須滿足規(guī)定的尺寸限制，規(guī)定的開孔結(jié)構(gòu)參數(shù)：開孔尺寸、幾何不連續(xù)處的過度圓角等，且僅適用于同種材料的整體補(bǔ)強(qiáng)形式。

筆者認(rèn)為，在核電站有疲勞分析要求的管道開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計，需嚴(yán)格遵循RCC-M規(guī)范中規(guī)定的4種接管幾何尺寸，見圖2，并采取與主管同材料的整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以便有效應(yīng)用指數(shù)法進(jìn)行疲勞估算。否則，通過有限元分析或試驗分析法將使補(bǔ)強(qiáng)疲勞評定過于復(fù)雜，工程設(shè)計上將很難實現(xiàn)。

5 等面積法在B篇和C/D篇的差異

5.1 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍的分析

“有效補(bǔ)強(qiáng)范圍”可理解為管道開孔后孔邊高應(yīng)力的存在范圍，目前從殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)的常規(guī)設(shè)計規(guī)范ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2可以看出，該范圍和開孔直接d，孔邊不連續(xù)應(yīng)力存在范圍兩個因素有關(guān)。阮黎祥在文獻(xiàn)中論證了在殼體補(bǔ)強(qiáng)有效范圍的定義上，應(yīng)綜合考慮開孔直徑d和孔邊不連續(xù)應(yīng)力衰減范圍才是合理的。C/D篇為設(shè)計計算的簡單方便，僅選取開孔直徑d相關(guān)因素為限定條件，未考慮孔邊不連續(xù)應(yīng)力存在范圍，這與ASME Ⅷ-1的設(shè)計理念是保持一致的；而在B篇確定開孔邊界LA時，選取開孔直徑d相關(guān)因素為限定條件的同時，在定義2/3補(bǔ)強(qiáng)有效邊界范圍時就綜合考慮了開孔直徑d和孔邊不連續(xù)應(yīng)力衰減范圍兩個因素，使得補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計更趨于合理化。因此，在“有效補(bǔ)強(qiáng)邊界”的定義上，RCC-M 規(guī)范B篇側(cè)重于補(bǔ)強(qiáng)的安全性，充分考慮了孔邊不連續(xù)應(yīng)力衰減范圍的量級因素，計算上較為復(fù)雜。C/D篇僅選取與開孔直徑d相關(guān)，相對而言計算較為簡便，方便指導(dǎo)管道開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計。

5.2 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式的分析

管道開孔設(shè)計的最根本問題就是要盡量降低孔邊的應(yīng)力集中，而降低孔板的應(yīng)力集中最有效的途徑就是將補(bǔ)強(qiáng)金屬盡可能布置在開孔邊緣及附近，并盡量減少幾何不連續(xù)現(xiàn)象。具有這些功效的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)以整鍛件或者密集補(bǔ)強(qiáng)、翻邊接管補(bǔ)強(qiáng)以及加厚接管補(bǔ)強(qiáng)為好。唐超在文獻(xiàn)中論證過補(bǔ)強(qiáng)圈存在補(bǔ)強(qiáng)金屬分散、與殼體存有間隙、而且其外周的幾何不連續(xù)將產(chǎn)生新的應(yīng)力集中等缺點。RCC-M規(guī)范基于安全的考慮，在B篇RCC-M 1級管道的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計時并不允許采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，僅推薦用整鍛件補(bǔ)強(qiáng)或擠壓接管的密集型補(bǔ)強(qiáng)。而在工況條件一般，應(yīng)力水平較低的RCC-M 2級及其以下管道的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計，C/D篇中才允許采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。

6 結(jié)論

（1）等面積補(bǔ)強(qiáng)法用于管道開孔后承壓設(shè)計強(qiáng)度上的校核，僅適用于管道小開孔 d/D≤0.5，當(dāng)出現(xiàn)d/D>0.5的大開孔時，孔邊緣引起的附加彎曲力矩等會導(dǎo)致邊緣的應(yīng)力狀態(tài)惡化，此時等面積補(bǔ)強(qiáng)法未必是安全的。RCC-M規(guī)范通過對管道開孔進(jìn)行應(yīng)力校核，未對開孔尺寸進(jìn)行限定。但在應(yīng)力校核時對管道開孔支管連接的應(yīng)力指數(shù)提出需滿足r'm / Rm ≤0.5的條件，實質(zhì)上是意識到d/D>0.5的管道大開孔的應(yīng)力惡化問題；對d/D>0.5的大開孔情況，RCC-M規(guī)范在應(yīng)力指數(shù)的選取上并沒有推薦值，應(yīng)力指數(shù)參考傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)驗值進(jìn)行選取，降低了應(yīng)力評定的有效性，且應(yīng)力評定未必能通過。筆者認(rèn)為從安全設(shè)計的角度出發(fā)，支管連接設(shè)計時確保開孔率d/D≤0.5，對d/D>0.5的大開孔應(yīng)選擇整體加強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)系列三通、管座等連接方式。

（2）等面積補(bǔ)強(qiáng)法是不適用于有疲勞強(qiáng)度要求的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，筆者經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)RCC-M規(guī)范采用了應(yīng)力指數(shù)法和疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)法對補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計進(jìn)行了疲勞鑒定，彌補(bǔ)了等面積法在疲勞校核的不足。但采用指數(shù)法進(jìn)行疲勞估算對補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)、連接處的幾何尺寸等有諸多要求。筆者認(rèn)為在有疲勞工況的管道開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計時，需嚴(yán)格執(zhí)行RCC-M規(guī)范中的接管的幾何特性要求，以便進(jìn)行疲勞評定。

（3）RCC-M規(guī)范在“有效補(bǔ)強(qiáng)范圍”的定義上，B篇考慮了開孔直徑d，孔邊不連續(xù)應(yīng)力存在范圍兩個因素，更為合理、安全，但給設(shè)計計算帶來一定的復(fù)雜度。C/D篇僅選取與開孔直徑d相關(guān)，計算較為簡便，方便指導(dǎo)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計；在補(bǔ)強(qiáng)圈的應(yīng)用上，B篇中對RCC-M 1級管道開孔補(bǔ)強(qiáng)是不允許使用補(bǔ)強(qiáng)圈的，僅推薦用整鍛件補(bǔ)強(qiáng)或擠壓接管的密集型補(bǔ)強(qiáng)。而在工況條件一般，應(yīng)力水平較低的RCC-M 2級及其以下管道開孔補(bǔ)強(qiáng)，C/D篇才允許使用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。上述的區(qū)別體現(xiàn)來核電站在承壓管道安全分級及介質(zhì)工況參數(shù)的差異，設(shè)計人員在應(yīng)用等面積法時需對承壓管道的安全分級及工況參數(shù)加以區(qū)分，正確使用RCC-M規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1] RCC-M 2000&2002[S].

[2] ASME Ⅷ-1，2007[S].

[3] ASME Ⅷ-2，2007[S].

[4] 阮黎祥，丁伯民.開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法和壓力面積法的聯(lián)系和區(qū)別-兼對ASME Ⅷ-2（2007）開孔補(bǔ)強(qiáng)的分析[J].化工設(shè)備與管道，2008（2），45（1）.

[5] 唐超.再談開孔補(bǔ)強(qiáng)的有關(guān)問題[J].石油化工設(shè)計，1999，16（3）：23-27.

[6] 張鐵鋼.應(yīng)力指數(shù)法和疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)法在疲勞容器設(shè)計中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2006，27（3）：1.