蒸汽發(fā)生器管板孔橋超差情況下的結(jié)構(gòu)安全性分析

李海龍，王 慶，徐 宇，熊冬慶，王 臣，張 躍

(環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京 100082)

壓水堆蒸汽發(fā)生器(SG)的基本功能是將單相反應(yīng)堆冷卻劑的熱量通過(guò)U型傳熱管，傳遞到SG二次側(cè)沸騰態(tài)的汽水混合物中。SG的汽水分離器和干燥器從沸騰態(tài)混合物中分離出干飽和蒸汽，將其輸送到汽輪機(jī)。SG傳熱管傳遞熱量并將放射性污染保留在一回路系統(tǒng)中。

本案例的傳熱管堵管和常規(guī)的傳熱管堵管背景不同。常見(jiàn)的傳熱管堵管是由于制造完成后通過(guò)渦流檢查和超聲探傷發(fā)現(xiàn)傳熱管的缺陷或在役運(yùn)行階段傳熱管的降級(jí)。本案例中堵管是SG制造過(guò)程中管板孔橋超差造成的，是較少見(jiàn)的案例。垂直度出現(xiàn)超差的管孔和傳熱管安全性至關(guān)重要，有必要進(jìn)行管孔和傳熱管的安全性審查。另一方面，由于管板二次側(cè)孔橋超差，應(yīng)分析評(píng)估管板的結(jié)構(gòu)完整性是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

SG是核電廠非常重要的大型設(shè)備之一，制造周期長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，造價(jià)昂貴。管板孔橋超差的傳熱管堵管處理，縮短了SG的制造周期，降低了SG的制造成本。傳熱管管板孔橋超差情況下的結(jié)構(gòu)安全性分析是SG安全運(yùn)行的重要保障，是核電廠安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。本工作擬對(duì)該不符合項(xiàng)進(jìn)行處理，找到合理可行的解決方案。

1 不符合項(xiàng)簡(jiǎn)介

某壓水堆核電廠的SG，在實(shí)施管板深孔鉆加工時(shí)，由于導(dǎo)套密封環(huán)的損壞，導(dǎo)致3個(gè)位于管板冷段邊緣處的管孔鉆偏，從而造成管板二次側(cè)的6個(gè)孔橋超過(guò)了設(shè)計(jì)要求值的下限，一次側(cè)孔橋滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具體位置如圖1所示。

圖1所示超差，造成的影響包括管板和傳熱管的結(jié)構(gòu)完整性。該SG制造廠提出了對(duì)管板3個(gè)超差孔(C165-R59、C167-R59和C168-R58)中的傳熱管進(jìn)行堵管操作、管板照用的建議。

傳熱管堵管是被廣泛接受和認(rèn)可的工藝。在SG出廠前及在役階段，傳熱管抽檢是SG安全檢查的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。對(duì)于檢查不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的傳熱管進(jìn)行堵管操作。本SG出廠前允許不超過(guò)5根傳熱管堵管。運(yùn)行階段，按照慣例，一般允許對(duì)10%的傳熱管進(jìn)行堵管操作。然而過(guò)多的傳熱管堵管影響SG的傳熱效率，甚至影響核電廠的經(jīng)濟(jì)效率。

2 管板制造超差的結(jié)構(gòu)安全分析

SG的下封頭、管板和傳熱管是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的一部分，因此必須保持其結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)設(shè)備規(guī)范書(shū)要求，該SG設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB分卷[1]的要求。

SG的應(yīng)力、疲勞和斷裂分析及評(píng)定在其加工制造前均已完成。針對(duì)SG二次側(cè)孔橋超過(guò)設(shè)計(jì)值的情況，本文重點(diǎn)介紹傳熱管管板孔橋超差情況下的結(jié)構(gòu)安全性分析。分別從管板的結(jié)構(gòu)完整性、管孔超差不符合項(xiàng)對(duì)流致振動(dòng)的影響、堵管后的傳熱管應(yīng)力、傳熱管堵管后對(duì)孔橋強(qiáng)度的影響、孔橋超差導(dǎo)致的傳熱管接觸磨損等方面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性分析，期望能對(duì)后續(xù)的核設(shè)備安全審查和設(shè)備制造單位提供建設(shè)性的意見(jiàn)。

2.1 管板結(jié)構(gòu)完整性分析

該SG管孔有上萬(wàn)個(gè)，發(fā)生超差的管孔3個(gè)，受影響的孔橋僅6處，因此對(duì)于發(fā)生超差的管板，可應(yīng)用ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊(cè)附錄[2]A-8143推薦的方法進(jìn)行分析，即仍按正常的管板進(jìn)行應(yīng)力、疲勞和斷裂分析，但需對(duì)發(fā)生超差孔橋增加如下內(nèi)容的分析評(píng)定：

1) 孔帶平均應(yīng)力強(qiáng)度限值為3Sm；

2) 窄孔帶中的峰值應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)通過(guò)考慮累積損傷加以限制，該峰值應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算可用名義厚度孔帶的峰值應(yīng)力強(qiáng)度乘以文獻(xiàn)[2]中圖A-8143.2-l給出的Km值。

傳熱管堵管后無(wú)一次側(cè)流體流動(dòng)。管板孔橋的溫度始終僅受流經(jīng)被堵管周?chē)鷤鳠峁苤械囊淮蝹?cè)流體控制。3根傳熱管堵管與不堵管，對(duì)于管板溫度場(chǎng)分布是相同的。未發(fā)生超差的SG管板的強(qiáng)度分析模型如圖2所示。

圖2 SG管板有限元模型

根據(jù)ASME Ⅲ NB表NB3217-1，不符合項(xiàng)超差孔橋處的應(yīng)力是二次應(yīng)力或峰值應(yīng)力，3個(gè)超差孔不影響管板一次應(yīng)力。根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果，應(yīng)用ASME BPVC附錄A-8143條款修正，得到窄孔帶的峰值應(yīng)力強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上完成疲勞評(píng)定。一次加二次應(yīng)力評(píng)定和疲勞分析只考慮正常和異常工況的瞬態(tài)，其他工況不受該不符合項(xiàng)的影響。管板典型位置的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表1。

表1 管板典型位置的評(píng)價(jià)結(jié)果

分析結(jié)果滿(mǎn)足ASME BPVC附錄A-8143的要求；管板結(jié)構(gòu)完整性分析滿(mǎn)足ASME規(guī)范要求。

2.2 管板孔橋超差不符合項(xiàng)對(duì)流致振動(dòng)分析的影響

SG二次側(cè)流場(chǎng)采用ATHOS軟件包計(jì)算。考慮到SG管束區(qū)幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，ATHOS軟件在實(shí)際處理時(shí)基于多孔介質(zhì)概念[3]，以“分布阻力”的方式考慮傳熱管等固體對(duì)流場(chǎng)的影響，即將孔隙率、阻力系數(shù)等參數(shù)引入控制方程，以考慮固體對(duì)流體的影響。

二次側(cè)孔隙率和阻力系數(shù)與傳熱管的布置方式(包括管徑、節(jié)距等)有關(guān)，程序計(jì)算時(shí)輸入整體傳熱管的布置方式和特征值，不考慮局部真實(shí)幾何特征。而對(duì)于多孔介質(zhì)模型，每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)包含數(shù)根傳熱管，同樣不考慮局部真實(shí)幾何特征。目前，該方法已被大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明有效，ATHOS軟件也得到了實(shí)堆運(yùn)行參數(shù)的驗(yàn)證。

管板孔橋超差傳熱管堵管屬于局部變化。計(jì)算輸入的孔隙率和阻力系數(shù)不會(huì)因局部的微小變動(dòng)而發(fā)生改變?；诙嗫捉橘|(zhì)模型，每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)包含數(shù)根傳熱管，因此計(jì)算得到的平均流場(chǎng)不會(huì)因管板孔橋超差而發(fā)生變化。

綜上所述，管板孔橋超差則傳熱管堵管，傳熱管流致振動(dòng)的設(shè)計(jì)輸入二次側(cè)流場(chǎng)分布與原設(shè)計(jì)相同。

傳熱管流致振動(dòng)分析評(píng)估時(shí)基于平均流場(chǎng)，并結(jié)合管徑、節(jié)距等參數(shù)計(jì)算得到最大管間流速進(jìn)行評(píng)估，合理且保守。采用SG流致振動(dòng)專(zhuān)用程序計(jì)算得到各典型位置傳熱管直段熱端、直段冷端及彎管段的流彈性穩(wěn)定比。

受管板制造超差影響的傳熱管包括Row57～Row59。傳熱管由4組抗振條支撐，彎段半徑最大的傳熱管為Row63。從流致振動(dòng)角度看，Row63傳熱管的無(wú)支撐跨距大于Row57～Row59傳熱管的，對(duì)Row63傳熱管的流致振動(dòng)分析結(jié)果可包絡(luò)Row57～Row59傳熱管。假定管孔超差發(fā)生在Row63傳熱管，則計(jì)算Row63傳熱管的最大流彈性穩(wěn)定比FSR為0.20，考慮設(shè)計(jì)允許的制造公差，最大FSR=0.20×1.06=0.21。

SG的傳熱管外徑為D，設(shè)計(jì)間距為P，理論管間流流速U與來(lái)流速度U0間存在如下關(guān)系：

U=U0P/(P-D)=3.36U0

(1)

管板制造超差后，傳熱管間最小間距變?yōu)镻′-D，此時(shí)受管板制造超差影響的局部管間流速U′可表示為：

U′=U0P′/(P′-D)=10.20U0

(2)

管板制造超差發(fā)生后，與原設(shè)計(jì)相比，局部管間流速最大變?yōu)樵O(shè)計(jì)的U′/U=3.04倍。事實(shí)上，管間流速受管板制造超差影響的區(qū)域僅限于管板與第1塊支承板之間，且該區(qū)域流速影響也隨管板距離的增加而減小。保守而言，分析評(píng)估時(shí)假設(shè)Row63傳熱管橫向流速均變?yōu)樵O(shè)計(jì)的3.04倍。

流彈性穩(wěn)定比FSR及相關(guān)有效流速Uen、臨界流速Uc可按下式計(jì)算：

FSR=Uen/Uc

(3)

(4)

(5)

式中：β為流體彈性穩(wěn)定常數(shù)；fn為第n階固有頻率；δn為第n階對(duì)數(shù)衰減率；ρj為節(jié)點(diǎn)j處二次側(cè)流體密度；ρ0為二次側(cè)流體參考密度；Uj為節(jié)點(diǎn)j處橫向流速度；φjn為第n階固有頻率下節(jié)點(diǎn)j處的模態(tài)位移；Δzj為節(jié)點(diǎn)j所屬的兩相鄰單元長(zhǎng)度之和的1/2；mj為節(jié)點(diǎn)j處結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度的實(shí)際質(zhì)量；m0為結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度的參考質(zhì)量。

考慮式(4)、(5)和管板制造超差，臨界流速保持不變，有效流速為原設(shè)計(jì)的3.04倍，故Row63傳熱管的流彈性穩(wěn)定比FSR=3.04×0.21=0.64。仍小于SG設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)及ASME BPVC-Ⅲ-1-附錄N的限值。因此該不符合項(xiàng)仍滿(mǎn)足規(guī)格書(shū)及ASME規(guī)范對(duì)流致振動(dòng)的要求。

2.3 堵管后的傳熱管應(yīng)力分析

標(biāo)準(zhǔn)的SG傳熱管分析表明，傳熱管在一次側(cè)和二次側(cè)設(shè)計(jì)瞬態(tài)下滿(mǎn)足疲勞評(píng)定要求。被堵的3根傳熱管，管內(nèi)是空氣，堵管后不受一次側(cè)設(shè)計(jì)瞬態(tài)的影響，僅受二次側(cè)設(shè)計(jì)瞬態(tài)的影響，且傳熱管管壁也極薄，因此不影響對(duì)疲勞分析的評(píng)定結(jié)果。

由于采用堵管方案，傳熱管內(nèi)部不承受一次側(cè)壓力，傳熱管僅受到外側(cè)二次側(cè)壓力載荷。因此載荷工況包括二次側(cè)壓力載荷和設(shè)計(jì)機(jī)械載荷。對(duì)設(shè)計(jì)工況、運(yùn)行工況和試驗(yàn)工況進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。未堵管與堵管的應(yīng)力比較列于表2。

表2 未堵管與堵管應(yīng)力結(jié)果

一次側(cè)的設(shè)計(jì)壓力為17.24 MPa、二次側(cè)的設(shè)計(jì)壓力為8.27 MPa。未堵管的傳熱管受到的壓差為8.97 MPa，堵管后傳熱管受到的壓力為二次側(cè)壓力，壓力值略變小，加之傳熱管堵管，剛度增大。堵管后的應(yīng)力值變小是合理的。計(jì)算結(jié)果表明，受影響的傳熱管能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.4 傳熱管堵管的壓差對(duì)孔橋強(qiáng)度的影響

圖3 考慮超差的堵3根傳熱管的孔橋有限元模型

由于堵管后，被堵的傳熱管和未堵的傳熱管的孔橋間存在壓差。為考慮壓差對(duì)孔橋的影響，對(duì)最小孔橋堵管、未堵管的情況進(jìn)行了有限元分析。模型中考慮了實(shí)際的孔橋超差?？紤]孔橋超差，堵管后的孔橋應(yīng)力分析有限元模型如圖3所示。同時(shí)也進(jìn)行了無(wú)超差發(fā)生即正?？讟虻目讟驈?qiáng)度分析，這3種情況的應(yīng)力結(jié)果列于表3。

表3 未堵管與堵管考慮孔橋超差的應(yīng)力結(jié)果

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于孔橋超差，堵管后孔橋處的應(yīng)力強(qiáng)度變小，表明堵管起到了局部補(bǔ)強(qiáng)的作用。傳熱管堵管的壓差對(duì)孔橋強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

2.5 孔橋超差導(dǎo)致的傳熱管接觸磨損問(wèn)題

對(duì)于目前的孔橋超差情況，在役運(yùn)行期間超差孔傳熱管與周?chē)膫鳠峁苤g是否會(huì)發(fā)生接觸磨損是需要關(guān)注的另一個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于安裝在3個(gè)有超差的管板深孔的傳熱管，針對(duì)傳熱管之間的間隙，計(jì)算了實(shí)際管板孔位置對(duì)傳熱管的影響。實(shí)際的管板孔位置，能保證傳熱管的穿管和脹管工藝順利進(jìn)行?？紤]垂直作用于傳熱管的均一載荷，計(jì)算了傳熱管的撓度。通過(guò)計(jì)算證明3個(gè)有超差的傳熱管和相鄰的傳熱管之間不會(huì)發(fā)生接觸。

3 結(jié)論

對(duì)于SG傳熱管管板孔橋超差的不符合項(xiàng)，從以上幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)安全性分析?？讟虺畎l(fā)生后，對(duì)發(fā)生超差的3根傳熱管進(jìn)行堵管處理，堵管處理后的傳熱管和傳熱管管板滿(mǎn)足SG技術(shù)規(guī)格書(shū)的強(qiáng)度、位移、流彈性穩(wěn)定比等方面的限值要求。另外，從傳熱管的脹管、穿管和無(wú)損檢測(cè)等方面也進(jìn)行了詳細(xì)的審查。在役階段，需加強(qiáng)被堵管的相鄰傳熱管的跟蹤檢查，確保SG的質(zhì)量和安全運(yùn)行。

在該不符合項(xiàng)的審評(píng)過(guò)程中，得到了上海核工程設(shè)計(jì)研究院張鍇、張可豐、梁星筠和祖洪彪等專(zhuān)家的大力支持，在此表示衷心的感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1] 美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì). ASME BPVC-Ⅲ 核設(shè)施部件建造規(guī)則:第1冊(cè)附錄[S]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2004.

[2] 美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì). ASME BPVC-Ⅲ 核設(shè)施部件建造規(guī)則:第1冊(cè)NB分卷[S]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2004.

[3] SCOTT D A. Heat exchanger design and theory source book[M]. Washington D.C.: Scripta Book Co., 1976.