管道彎管工藝在核電站的應(yīng)用分析

王磊，王增琛，程超，黃文強(qiáng)

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

核電站各工藝系統(tǒng)主要由設(shè)備和管道組成，各種流體輸送均需要通過管道實(shí)現(xiàn)，因此，管道在維持核電站安全中起著不可替代的作用。管道布置設(shè)計過程中，由于系統(tǒng)需要、空間布局以及熱膨脹、柔性設(shè)計等原因，經(jīng)常需要改變管道的走向，具體可通過采用彎頭或彎管實(shí)現(xiàn)。彎管是管道制作加工過程中的一種常見工藝，與彎頭相比，具有減少管道總焊縫、降低振動、流阻小等優(yōu)點(diǎn)，有利于保證施工質(zhì)量，降低施工成本，提高核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 彎管工藝概述

管道彎管分為熱彎彎管和冷彎彎管，熱彎彎管是指在加熱溫度t≥(tC-56)℃的條件下彎制的彎管，冷彎彎管指在加熱溫度t＜(tC-56)℃的條件下彎制的彎管［1］，式中:tC為管子材料的下臨界溫度，℃。

目前，國內(nèi)應(yīng)用的熱彎彎管主要為感應(yīng)加熱彎管，其工作原理是利用中高頻電源對管子圓周方向狹窄帶進(jìn)行加熱，直到彎管所需的溫度，同時將管子勻速推進(jìn)，彎矩作用到管子的加熱區(qū)域使管子沿預(yù)設(shè)的軌道彎曲，從而形成具有一定曲率半徑和角度的彎管。

冷彎的工作原理是將管子沿胎具旋轉(zhuǎn)拖拽，從而形成具有一定曲率半徑和角度的彎管，不需要對管子進(jìn)行加熱，不改變管子材料金相組織，具有節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)。

2 核電站彎管應(yīng)用

2.1 核電站彎管應(yīng)用現(xiàn)狀

CPR1000核電站管道設(shè)計文件中規(guī)定:在可能的情況下，設(shè)計上應(yīng)優(yōu)先選用彎管來代替彎頭;同時要求，DN≤60.3 mm的管道必須采用彎管形式(除彎曲角度 45°和 90°外)，彎曲角度為 45°和 90°的可選用彎管或標(biāo)準(zhǔn)彎頭。

早前核電站布置設(shè)計文件中對彎管的要求為彎曲半徑≥5.0D(D為管子名義直徑，mm)，彎頭的彎曲半徑可達(dá)到1.5D(長半徑)或1.0D(短半徑)，由于核電站核島內(nèi)空間狹小，受限于布置空間，大部分情況下只能采用彎頭。經(jīng)統(tǒng)計，CPR1000核電廠中，雙機(jī)組核島DN100mm及以上的管道中使用彎頭的數(shù)量約6500個，使用彎管僅150個，彎管使用量僅占2.3%。

隨著彎管技術(shù)的發(fā)展，大口徑彎管的最小彎曲半徑可以達(dá)到3D，并已成功在火電廠四大管道中應(yīng)用［2］。目前 AP1000，EPR，華龍 1 號等主流三代核電技術(shù)，核島空間較CPR1000核電廠均有所增加，其對彎管的要求為彎曲半徑≥3D，為彎管技術(shù)的應(yīng)用提供了條件。

2.2 彎管代替彎頭的優(yōu)點(diǎn)

(1)每個彎頭的兩端均需設(shè)置焊縫，并在施工現(xiàn)場施焊，使用彎管可以有效減少焊縫總數(shù)量，一般采用1條彎管可減少1條焊縫，有利于減少現(xiàn)場焊接及無損檢測工作量，降低建造成本。同時，管道焊縫區(qū)域往往是缺陷易發(fā)區(qū)，焊縫總數(shù)量的減少有利于確保管道的質(zhì)量和安全，提高核電站的安全性。

(2)彎管的彎曲半徑大，不僅降低了流體由于流向變化對管線的沖擊，降低管道振動，而且由于彎曲部分的應(yīng)力增加系數(shù)與1/R2/3(R為彎曲半徑)成正比［3］，大彎曲半徑的彎管較彎頭應(yīng)力增加系數(shù)小，使管道系統(tǒng)的應(yīng)力分布更均勻，受力更合理。

(3)彎管的局部阻力小，可以降低管道阻力，提高核電廠經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》［4］可知，采用90°彎管和彎頭的局部阻力系數(shù)分別為0.20和0.25，可見，不計內(nèi)徑的變化和沿程阻力損失，僅局部阻力系數(shù)不同引起的局部阻力就相差25%。

(4)按照核安全相關(guān)法規(guī)要求，核電站運(yùn)行期間需要定期(一般10年1次)開展在役檢查，管道焊縫的無損檢測是在役檢查的主要工作，采用彎管后管道焊縫的減少有利于減少在役檢查無損檢測工作量，降低核電站運(yùn)行成本。

因此，核電站中應(yīng)用彎管工藝，不僅可以有效減少焊縫總數(shù)量，降低施工成本，縮短施工周期，而且焊縫數(shù)量的減少可以降低核電站運(yùn)行期間在役檢查工作量，降低運(yùn)行成本，提高核電站的經(jīng)濟(jì)性。

3 彎管的設(shè)計和驗(yàn)收要求

3.1 彎管的設(shè)計要求

目前，核級管道設(shè)計主要采用國外RCC-M—2007《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》［5］(以下簡稱RCC-M)以及ASMEⅢ—2010《核設(shè)施部件建造規(guī)則》［6］(以下簡稱 ASME)。RCC-M 對彎管的設(shè)計要求分別對最小壁厚(區(qū)分內(nèi)腹區(qū)、外背區(qū))、橢圓度、壁厚減薄量進(jìn)行了規(guī)定，而ASME僅對最小壁厚(未區(qū)分內(nèi)腹區(qū)、外背區(qū))、橢圓度進(jìn)行了規(guī)定，未對壁厚減薄量進(jìn)行要求，可見RCC-M的規(guī)定更加具體和全面。

為確保管道彎曲后的壁厚滿足規(guī)范要求，RCCM和ASME均為設(shè)計者推薦了彎曲之前管子的最小壁厚，二者的推薦值一致，具體見表1。

表1 RCC－M和ASME推薦的彎管前管子最小壁厚

3.2 彎管的驗(yàn)收要求

除必須滿足管材供貨標(biāo)準(zhǔn)的要求外，RCC-M和ASME針對彎管成形均提出了額外驗(yàn)收要求。ASME僅對成形后的橢圓度和最小壁厚提出了尺寸檢查的要求，而RCC-M不僅對彎管成形后的尺寸檢查提出要求，而且對不同RCC-M等級的管子成形前和成形后均提出了相應(yīng)的無損檢測要求，更為細(xì)致、具體和全面，推薦設(shè)計者優(yōu)先選用。

4 結(jié)束語

隨著彎管技術(shù)的發(fā)展，大口徑彎管的最小彎曲半徑可以達(dá)到3D，并已在火電行業(yè)中廣泛應(yīng)用。核電站中使用彎管，可以有效減少管道焊縫總數(shù)量，減少現(xiàn)場施焊工作量，縮短建造周期，降低建造成本，焊縫數(shù)量的減少有利于提高核電站運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，減少核電站在役檢查的工作量，因此，在滿足布置空間要求的前提下，設(shè)計者應(yīng)優(yōu)先采用彎管。

通過對比RCC-M和ASME針對彎管的設(shè)計和驗(yàn)收要求，可以得出RCC-M的規(guī)定更為全面、細(xì)致和具體，在實(shí)際工作中，推薦設(shè)計者優(yōu)先采用RCC-M進(jìn)行彎管的設(shè)計和驗(yàn)收。

［1］DL/T 515—2004 電站彎管［S］.

［2］張洪元，呂道華，閆平，等.火電廠四大管道系統(tǒng)彎管彎頭設(shè)計對比分析［J］.華電技術(shù)，2009，31(10):27-35.

［3］ASME B31.1—2007 Power piping［S］.

［4］DL/T 5054—1996火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.

［5］RCC-M—2007 Design and construction rules for mechanical components of PWR Nuclear Islands［S］.

［6］ASME Ⅲ—2010 Rules for construction of nuclear facility components［S］.