兩環(huán)路核電廠試驗(yàn)支管振動疲勞研究

段永強(qiáng)，黃學(xué)孔，曾　暢，王　帥，蔡志云

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院，四川　成都　610041）

兩環(huán)路核電廠試驗(yàn)支管振動疲勞研究

段永強(qiáng)，黃學(xué)孔，曾暢，王帥，蔡志云

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院，四川成都610041）

針對國內(nèi)二代改進(jìn)型的兩環(huán)路核電廠試驗(yàn)用支管中存在的振動疲勞問題，文章提出了一種確定疲勞振動的測量和計(jì)算分析方法，并運(yùn)用該方法對國內(nèi)某兩環(huán)路核電廠小支管進(jìn)行了工況分析、振動測量和最大有效振動速度計(jì)算，同時(shí)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元程序ANSYS軟件對小支管的振動疲勞應(yīng)力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該方法能夠很好地診斷出小支管中存在的第一類敏感管和第二類敏感管，從而為判斷在兩環(huán)路核電廠試驗(yàn)中支管是否為敏感管提供了理論依據(jù)。

試驗(yàn)支管；ANSYS；振動疲勞

隨著國內(nèi)二代改進(jìn)型核電站機(jī)組陸續(xù)投入運(yùn)行，已發(fā)現(xiàn)核輔助系統(tǒng)（EAS、ASG等系統(tǒng)）個(gè)別小支管與主管連接的管座焊縫發(fā)生開裂，出現(xiàn)了輸送介質(zhì)泄漏的現(xiàn)象，對系統(tǒng)的基本功能和安全功能造成了一定影響。根據(jù)國內(nèi)外核電站經(jīng)驗(yàn)反饋，裂紋大多發(fā)生在外徑2英寸及以下的小支管和主管之間的管座焊縫，裂紋產(chǎn)生的主要原因是支管靠近振動源（泵、調(diào)節(jié)閥、流量孔板等）以及支管設(shè)備采用不合理布置造成焊縫處應(yīng)力集中出現(xiàn)疲勞失效，此類支管振動疲勞情況被歸納為敏感管問題，其中的小支管簡稱“敏感管”。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1970—1999年，全球核電廠共發(fā)生了54起導(dǎo)致管道破裂的事例。小支管因振動疲勞而導(dǎo)致裂紋往往會引發(fā)管內(nèi)介質(zhì)的泄露，同樣也給核電站的安全帶來了巨大的隱患。根據(jù)RCC-P規(guī)定，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)上連接的一些輔助系統(tǒng)在規(guī)定工況有密封屏障作用，專設(shè)安全設(shè)施系統(tǒng)在事故工況下必須能保證反應(yīng)堆堆芯的冷卻，所以我國核安全法規(guī)規(guī)定了支管振動疲勞審查作為核電站定期安全審查的內(nèi)容之一。但是由于引起小支管振動的原因非常復(fù)雜，使得這類問題的解決非常困難。目前，國際上還沒有形成一套統(tǒng)一的分析方法和評定規(guī)范。因此尋求一種方法系統(tǒng)有效的解決核電站小支管中所存在的敏感管問題具有十分重要的意義。

在總結(jié)以往國內(nèi)外核電站敏感管診斷經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種小支管振動評估方法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元程序ANSYS軟件對小支管的振動疲勞應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并運(yùn)用該方法對國內(nèi)某電站小支管的振動疲勞進(jìn)行評估分析。

1　支管振動疲勞評估方法

1.1支管振動疲勞分析范圍及方法

支管振動疲勞分析的對象主要包括容易發(fā)生振動疲勞的核安全相關(guān)重要小支管。國內(nèi)核電站一般根據(jù)自身運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外其他同類電站經(jīng)驗(yàn)反饋制定支管振動疲勞分析范圍。一般國內(nèi)二代改進(jìn)型核電站支管振動疲勞分析包括的系統(tǒng)有：EAS（安全殼噴淋系統(tǒng)）、RIS（安全注入系統(tǒng)）、ASG（蒸汽發(fā)生器輔助給水系統(tǒng)）、RRA（余熱排出系統(tǒng)）、RCV（化學(xué)和容積控制系統(tǒng)）、RRI（設(shè)備冷卻水系統(tǒng)）、REA（反應(yīng)堆硼和水的補(bǔ)給系統(tǒng)）、PTR（反應(yīng)堆換料腔和乏燃料水池的冷卻和水處理系統(tǒng)）。

1.2確定先天敏感管

先天敏感管主要包括與安全相關(guān)的外徑不大于2英寸的小支管，裂紋主要是由于支管靠近振動源（泵、調(diào)節(jié)閥、流量孔板等）、支管支承不合理、焊縫處應(yīng)力集中，最終疲勞失效而導(dǎo)致的。選擇確定先天敏感的小支管，選擇的基本原則包括：外徑小于和等于2英寸的連接支管；與安全有關(guān)；靠近振動源；泵、調(diào)節(jié)閥、流量孔板等；與泵、熱交換器和容器等設(shè)備直接相連的支管可不用考慮。一個(gè)典型的二代改進(jìn)型核電站單個(gè)機(jī)組一般有350根左右先天敏感管。

1.3系統(tǒng)工況分析篩選與振動測量

在篩選出先天敏感管后，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況、調(diào)試和定期試驗(yàn)測定值等經(jīng)驗(yàn)反饋，與運(yùn)行工況評價(jià)表相結(jié)合，得到系統(tǒng)最惡劣運(yùn)行工況（振動最大），并根據(jù)電廠實(shí)際情況確定振動測量的運(yùn)行工況。確定最惡劣工況的方法如下：

1）首先列出所研究系統(tǒng)的所有運(yùn)行工況；

2）列出每種運(yùn)行工況下的各種參數(shù)：

●泵所在主管的流體速度；

●投入運(yùn)行的泵數(shù)量；

●泵的類型，離心泵或往復(fù)泵；

●調(diào)節(jié)閥開度；

●運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋。

3）建立系統(tǒng)運(yùn)行工況評價(jià)表：建立系統(tǒng)運(yùn)行工況評價(jià)表，并根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和各種定期試驗(yàn)測定值等經(jīng)驗(yàn)反饋，得到系統(tǒng)最惡劣運(yùn)行工況并在該工況下測量小支管三個(gè)方向振動速度Vx，Vy，Vz；當(dāng)小支管振動速度大于12 mm/s，應(yīng)測量管座振動速度、振動加速度和振動頻譜。

1.4敏感管計(jì)算分析

在分析評定中通常按結(jié)構(gòu)形式將小支管分為兩類：在支管上無支撐的直管為第1類小支管，其他結(jié)構(gòu)形式的為第2類小支管。敏感管分析評定方法如下（見圖1）：

1）若振動速度＜12 mm/s，則該支管不敏感。

2）若小支管振動速度≥12 mm/s，則支管為潛在的敏感管，并將其分為兩類進(jìn)行分析。第1類小支管為帶有不平衡質(zhì)量（閥門）的直管，第2類小支管為除第1類以外的支管。

3）計(jì)算支管允許的最大有效振動速度Vadm。

4）將所測量的小支管振動速度與Vadm進(jìn)行比較。

圖1　敏感管篩選流程Fig.1　The screening process for sensitive pipes

對于第1類小支管，如果Vx或（Vy或Vz）＜Vadm，則該支管為非敏感管；如果Vx（或Vy或Vz）≥Vadm，則該支管為敏感管。第1類小支管允許的最大有效振動速度Vadm。

對于第1類小支管，計(jì)算振動速度限值Vadm。

Vadm（RMS mm/s）計(jì)算公式：

式中：t——主管壁厚，mm；

R——主管的平均半徑，R=（Dext-t）/2；

Dext——主管外徑，mm；

b——管座外半徑，包括焊縫，mm；

v——泊松系數(shù)，v=0.3；

E——楊氏彈性模量，MPa；

M——閥門質(zhì)量，kg；

K——K=σadm/3.5KC；

KC——應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，取KC=2 MPa；

σadm——對應(yīng)于1 011次循環(huán)的最大容許交變應(yīng)力，對于不銹鋼σadm=114 MPa；對于碳鋼σadm=52 MPa。

對于第2類小支管，如果Vx（或Vy或Vz）＜Vadm，則該支管為非敏感管；如果Vx（或Vy或Vz）≥Vadm，計(jì)算管座焊縫應(yīng)力σ。

對于第2類小支管，采用ASME OM3計(jì)算Vadm。

ASME OM3（2000）標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算一個(gè)管道區(qū)段允許的最大振動速度峰值Vallow（單位in/s）公式如下：

式中：C1——補(bǔ)償管道特征跨度上集中質(zhì)量影響的修正系數(shù)；

C2——ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范規(guī)定的二次應(yīng)力指數(shù)；

K2——ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅲ篇規(guī)定的局部應(yīng)力指數(shù)；

α——許用應(yīng)力折減系數(shù)：對ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅲ篇圖I-9.1包含的材料為1.3；或?qū)SME鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅲ篇圖I-9.2.1或圖I-9.2.2包含的材料為1.0；

Se——0.8SA，SA是ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第Ⅲ篇圖I-9.1在106循環(huán)次數(shù)時(shí)或圖I-9.2在1 011循環(huán)次數(shù)時(shí)的交變應(yīng)力。使用者必須考慮溫度對彈性模量的影響；

C3——考慮管內(nèi)介質(zhì)和保溫層質(zhì)量的修正系數(shù)；

C4——與固定端不同的端條件和與直跨不同的結(jié)構(gòu)形式的修正系數(shù)；

C5——考慮偏離共振的強(qiáng)迫振動的修正系數(shù)。

EDF對ASME OM3速度計(jì)算公式進(jìn)行了簡化處理，將ASME OM3的計(jì)算公式的英制單位換算為國際單位，并引入速度有效值的峰值因子C0=3.5，取α=1.0，C5=1.0。速度有效值Vadm（RMS mm/s）的計(jì)算公式為：

式中：C0——計(jì)算振動速度有效值的峰值因子，取C0=3.5；

C1——補(bǔ)償可能存在集中質(zhì)量（閥門等）對給定管道上影響的修正系數(shù)。C1隨著集中質(zhì)量與管道質(zhì)量之比而變化（完整的管道質(zhì)量應(yīng)包括管道金屬質(zhì)量、流體質(zhì)量和可能還存在的保溫層材料），C1與集中質(zhì)量與管道質(zhì)量之比的關(guān)系曲線見ANSI/OM3（2000）；

C2K2——C2K2=2i，其中i是應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，具體見RCC-M C3600規(guī)定，從保守計(jì)算出發(fā)，取C2K2=3.6；

C3——考慮流體質(zhì)量和保溫層材料質(zhì)量影響的修正系數(shù)：

其中，Wf、Wt、Wc分別是流體、管道（空的）和保溫層材料各自單位長度的質(zhì)量。

如果沒有保溫層材料，則根據(jù)管道的外直徑Dext和壁厚t用下面公式計(jì)算：

式中：C4——考慮管道的幾何形狀和管道端部約束條件的修正系數(shù)，0.7＜C4＜1.3，一般情況下，取C4=0.7；

λ——將英制單位換算為國際單位的系數(shù)，λ=13.42（mm/s/MPa）。

如果Vx（或Vy或Vz）≥Vadm，對支管建立有限元計(jì)算分析模型，利用現(xiàn)場測試獲得的小支管的振動加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成響應(yīng)譜作為輸入載荷，采用譜分析方法，進(jìn)行小支管的振動疲勞應(yīng)力計(jì)算，用計(jì)算得到的小支管管座焊縫處的應(yīng)力進(jìn)行疲勞評定。

2　案例分析

以國內(nèi)某兩環(huán)路核電廠支管振動疲勞進(jìn)行的專題審查為例，介紹試驗(yàn)用支管振動疲勞分析的實(shí)際應(yīng)用。該機(jī)組共有348根先天敏感管，在進(jìn)行了工況分析、振動測量和最大有效振動速度Vadm計(jì)算后，得出了1類小支管敏感管共7根，見表1。

對于第2類需進(jìn)行應(yīng)力分析的小支管，以其中1根管的應(yīng)力計(jì)算為例進(jìn)行介紹。該管線為1/2″SCH10S、材料為Z2CN18-10的管線。1/2″小支管一端通過1/2″×3/4″異徑接頭和母管連接固定，在經(jīng)過4個(gè)彎頭后管線截止。1/2″管線上有質(zhì)量為3.8 kg的手動截止閥。在管線經(jīng)過手動截止閥后有一個(gè)固定支撐，在管線端部連接儀表。小支管設(shè)計(jì)壓力0.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度50 ℃。106/1 011次循環(huán)對應(yīng)的最大容許交變應(yīng)力為114 MPa。

將現(xiàn)場振動測量采集到的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成響應(yīng)譜。譜的方向定義：X表示主管道軸線方向，Y表示管座軸線方向，Z表示與XY平面垂直的方向，如圖2～圖8所示。

表1　第1類小支管敏感管清單Table 1　The list for the first type of small branch sensitive pipes

圖2　X方向振動載荷Fig.2　Vibration loads in the X direction

圖3　Y方向振動載荷Fig.3　Vibration loads in the Y direction

圖4　Z方向振動載荷Fig.4　Vibration loads in the Z direction

圖5　X方向振動響應(yīng)譜Fig.5　Vibration respond spectrum in the X direction

圖6　Y方向振動響應(yīng)譜Fig.6　Vibration respond spectrum in the Y direction

圖7　Z方向振動響應(yīng)譜Fig.7　Vibration respond spectrum in the Z direction

圖8　管線計(jì)算模型Fig.8　The pipeline calculating model

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元程序ANSYS軟件計(jì)算小支管的振動疲勞應(yīng)力。該管線計(jì)算模型見圖8。采用BLOCK LANCZOS法進(jìn)行模態(tài)分析。在單個(gè)方向進(jìn)行振動計(jì)算時(shí)，對計(jì)算模型分別輸入該方向的振動響應(yīng)譜，得到管座總的動力響應(yīng)或交變應(yīng)力幅值，即管座的振動疲勞應(yīng)力。計(jì)算得出和主管連接的小支管管座處的應(yīng)力強(qiáng)度為146 MPa，最大應(yīng)力在小支管支承處，小支管的應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9　計(jì)算結(jié)果Fig.9　Calculation results

小支管和管座的連接采用插套焊。插套焊的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)i=1/2C2K2，根據(jù)RCC-M C3600規(guī)定及相關(guān)資料，取C2K2=3.6，所以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)i=1.8。在考慮應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)以后，管座應(yīng)力強(qiáng)度為262.8 MPa，超過了許用交變應(yīng)力114 MPa，故該管為第2類敏感管。

最終審查結(jié)果表明該機(jī)組共有348根先天敏感管，共有7根第1類敏感管和19根第2類敏感管，敏感管集中分布在ASG、RRI、RIS和EAS系統(tǒng)。

3　結(jié)束語

支管振動疲勞分析的對象是容易發(fā)生振動疲勞的核安全相關(guān)重要小支管，這些小支管泄漏后會對系統(tǒng)的基本功能和安全功能造成一定影響。針對上述問題，本文提出了一種支管振動疲勞分析方法，并描述了該方法在國內(nèi)某電站支管振動疲勞分析中的應(yīng)用情況。從而為判斷核電站小支管是否屬于敏感管，以及評估小支管的振動疲勞壽命提供了理論依據(jù)。為了消除潛在隱患，核電站應(yīng)對發(fā)現(xiàn)的敏感管采取措施進(jìn)行改造，改造的方法有：現(xiàn)場消缺、改善主管機(jī)械性能、改善支管機(jī)械性能、振動去偶、取消敏感管、改變振動源等。

［1］ 劉文進(jìn)，毛慶，曾忠秀. 大亞灣核電站小支管振動測量結(jié)果分析評定［J］. 核動力工程，2007，28（3）：87-89.（LIU Wen-jin，MAO Qing，ZENG Zhongxiu.Analysis and Evaluation for Little Branch of Daya Bay NuclearPowerStation Based on Vibration Test Result［J］. Nuclear Power Engineering，2007，28（3）：87-89.）

［2］ 譚璞，李劍波. 核電廠管道疲勞機(jī)理與防治［J］. 核安全，2011（4） ：23-28.（TAN Pu， LI Jianbo. Fatigue Mechanism and Prevention for the Pipeline in Nuclear Power Plant［J］. Nuclear Safety， 2011（4）：23-28.）

Vibration Fatigue Study of the Testing Branch Pipes in Two-Loop Nuclear Power Plants

DUAN Yong-qiang，HUANG Xue-kong，ZENG Chang，WANG Shuai，CAI Zhi-yun
（Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China）

As for the vibration fatigue problems existed in branch pipesused for test of domestic generation II+ two-loop nuclear power plant， a measurement and calculation analysis method for identifying fatigue vibration is proposed， which is applied to carry out condition analysis，vibration measurement and maximum effective vibration speed calculation for small branch pipes of a domestic two-loop nuclear power plant. At the same time， the structural mechanics finite element application program ANSYS is used to analyze the vibration fatigue stress of small branch pipes. The result shows that this method can diagnose the first type and the second type of sensitive pipes existed in small branch pipes. Thus， it can provide the theoreticalbasis for determining whether there are sensitive pipes in the branch pipes used for test of two-loop nuclear power plant.

test branchpipes；ANSYS；vibration fatigue

TL32Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）03-0208-06

TL32

A

1674-1617（2015）03-0208-06

2015-02-10

段永強(qiáng)（1982—），男，成都人，工程師，本科，從事核島系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水化學(xué)設(shè)計(jì)工作。