核電站主蒸汽超級管道管嘴受力情況分析

趙福建 鄧賜邦

（武漢海王新能源工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000）

核電站主蒸汽超級管道管嘴受力情況分析

趙福建 鄧賜邦

（武漢海王新能源工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著我國能源的多元化戰(zhàn)略的實(shí)施，核電能源逐漸受到國家的重視，并且隨著科技的發(fā)展，逐漸展現(xiàn)了核電的巨大優(yōu)勢，而作為核電站的主蒸汽超級管道，需要對其重點(diǎn)進(jìn)行管嘴的受力情況分析，根據(jù)管嘴的基本結(jié)構(gòu)情況，分析管嘴縱向內(nèi)角半徑的受力影響，并根據(jù)科學(xué)分析的結(jié)果，得出一個(gè)最優(yōu)的縱向內(nèi)角半徑，本文就以實(shí)際的超級管道管嘴工作狀況進(jìn)行受力分析，并以此分析結(jié)果，對管嘴的設(shè)計(jì)和制造提供指導(dǎo)。

核電站；主蒸汽管道；管嘴受力分析；情況分析

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析，全球目前運(yùn)行的核電機(jī)組數(shù)達(dá)到400多個(gè)，核電的發(fā)電量占全球總體電量的20%左右，隨著核電發(fā)電成本比較低、發(fā)電量比較大、幾乎不會產(chǎn)生環(huán)境污染等優(yōu)勢，全球的核電發(fā)電機(jī)組數(shù)量也在不斷增加，由于其具有強(qiáng)大的發(fā)電優(yōu)勢，隨著化石能源的逐漸枯竭，處于保護(hù)環(huán)境的考慮，我國也會逐漸降低火電的發(fā)電廠數(shù)量，逐步提高核電站的發(fā)電量，因此，會逐步增加和加大核電電力資源的開發(fā)力度。

1.目前我國核電站蒸汽超級管道應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)我國目前公布的核電應(yīng)用數(shù)據(jù)，我國運(yùn)行的吉瓦級核電阻幾乎是改進(jìn)型的反應(yīng)堆，主要以M310機(jī)組改進(jìn)為主，在主蒸汽超級管道是根據(jù)核電機(jī)組的類似構(gòu)件而構(gòu)件的管道部件，是從反應(yīng)堆的安全殼外部貫穿進(jìn)入，并在主蒸汽的橫管線處，向管線的下游位置移動，由于超級管道的熱工參數(shù)比較高、受力復(fù)雜、焊接縫隙比較多的特點(diǎn)，所以在整個(gè)運(yùn)行中所受到的沖擊力比較大，所要求的安全性能比較高，超級管道的管嘴設(shè)計(jì)不是都是由支管焊接方式進(jìn)行的，除了秦山一期和大亞灣核電站外，但是這種支管焊接的方式也有諸多缺點(diǎn)，一是超級管道的管嘴部分金屬材料不連續(xù)，在焊接后，由于應(yīng)力集中，會產(chǎn)生不良反應(yīng)，一是超級管道的管嘴部位，對焊接質(zhì)量和接管的補(bǔ)強(qiáng)度有著較高的要求，需要進(jìn)一步加強(qiáng)管道管嘴焊接工藝的改進(jìn)。隨著核電技術(shù)的逐漸成熟，我國在20世紀(jì)90年代后，采用最新擠壓成型管嘴工藝，這樣的焊接工藝相比以往的焊接工藝具有無法比擬的優(yōu)勢，因?yàn)檫@是一次成型的技術(shù)，所以，在超級管道的管嘴處，不需要再進(jìn)行焊接，有效避免了焊接后帶來的一系列焊縫問題，但是這種一次成型的管嘴工藝，工藝特點(diǎn)比較復(fù)雜，對于模具的精度和準(zhǔn)確度要求比較高，這種核電機(jī)組的例子以CPR1000核電機(jī)組為主。

2.變電站的基本結(jié)構(gòu)介紹

2.1超級管道介紹

核電站中的每個(gè)核電機(jī)組一般會有3～5個(gè)超級管道，根據(jù)超級管道的內(nèi)部構(gòu)成狀況，可以將整個(gè)超級管道分為4個(gè)管段。一般每個(gè)超級管道的一個(gè)管段要設(shè)置大概4個(gè)左右的工藝管嘴，并且還有管嘴應(yīng)力保護(hù)裝置，以約束外力對管嘴的影響，可以稱之為約束外力的橫向限制件。

2.1.1超級管道設(shè)備的分級

根據(jù)超級管道安全性能可以分為以下幾種：

第一種：安全等級：RCC-P2級；

第二種：規(guī)范等級：RCC-M2級；

第三種：質(zhì)保等級：質(zhì)保1級；

第四種：抗震類別：Ⅱ。

2.1.2超級管道的設(shè)計(jì)參數(shù)介紹

根據(jù)超級管道的設(shè)計(jì)分類，可以分為熱工參數(shù)和環(huán)境參數(shù)兩類。

熱工參數(shù)值中超級管道的設(shè)計(jì)壓力為：8.6MPa；超級管道的設(shè)計(jì)溫度：316℃；超級管道的正常運(yùn)行壓力：6.71MPa～7.6MPa；超級管道的正常運(yùn)行溫度：283℃～291.4℃。

環(huán)境參數(shù)中的超級管道正常工況下溫度：不大于40℃；超級管道正常工況下壓力是：常壓；超級管道的正常工況下相對濕度：0～100%。

2.2擠壓管嘴

一般情況下，變電站的每根超級管道上都會有4類管嘴，分別主蒸汽安全閥管嘴7個(gè)、排氣管嘴一個(gè)、旁路管嘴兩個(gè)、疏水管嘴一個(gè)，管嘴數(shù)量一共有11個(gè)，另外，最新的超級管道管嘴多采用一次成型的技術(shù)，這是出于減少焊縫數(shù)量、保證超級管道安全運(yùn)行的目的。在一般情況下管嘴的半徑分為縱向外角半徑、徑向外角半徑、管嘴內(nèi)半徑、縱向內(nèi)角半徑、徑向內(nèi)角半徑等。在超級擠壓管道管嘴的結(jié)構(gòu)中，一般對于有的半徑有嚴(yán)格的角度尺寸要求，比如，內(nèi)弧半徑和外弧半徑，有的半徑?jīng)]有那么嚴(yán)格的要求，比如，內(nèi)側(cè)弧度、外表面弧度，根據(jù)以往變電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，一般來說，內(nèi)、外徑尺寸精度比較容易控制，但管嘴根部弧度較難控制，可能對應(yīng)力分布造成影響。

3.超級管道管嘴承載力分析

對于超級管道的管嘴承載力分析，可以根據(jù)相關(guān)的分析軟件，對于設(shè)計(jì)尺寸和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的5種工況進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而更好地分析管嘴部位的應(yīng)力分布狀況。

3.1工況分析

根據(jù)RCCC-M中對超級管道安全性能的計(jì)算包括5種，分別是設(shè)計(jì)工況、正常工況、異常工況、緊急工況和事故工況等，在各個(gè)狀況的應(yīng)力計(jì)算分析下，對于每種工況的最低限值進(jìn)行規(guī)定，例如，在設(shè)計(jì)工況情形下，安全的限值應(yīng)在O級規(guī)定，在正常工況下，安全的限值滿足A級標(biāo)準(zhǔn)，異常工況下，安全的限值應(yīng)在B級標(biāo)準(zhǔn)，在緊急工況下，安全的限值應(yīng)在C級標(biāo)準(zhǔn)，而在事故工況下，安全的限值應(yīng)滿足D級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力值，其具體的限定值要求為：O級準(zhǔn)則為σL+σB≤1.5∑m；A級準(zhǔn)則為σL+σB+σ≤3σM；B級準(zhǔn)則為σL+σB≤1.65σM；C級準(zhǔn)則為σL+σL≤1.8σM；D級準(zhǔn)則為σL+ σB≤3σM。

其中：σL為局部一次薄膜應(yīng)力；σB為一次彎曲應(yīng)力；σ為二次應(yīng)力；σM為基本許用應(yīng)力。另外，超級管道材料在不同的溫度下，其基本的應(yīng)力也有相應(yīng)的規(guī)定，比如：設(shè)計(jì)工況（316℃）時(shí)σm=116.4MPa；異常工況（300℃）時(shí)σm=118.0MPa；緊急和事故工況（307℃）時(shí)σm=117.3MPa。

再根據(jù)參考設(shè)計(jì)工況后的數(shù)據(jù)值，可以根據(jù)正常工況溫度與后兩種的工況情況進(jìn)行合并，從而達(dá)到嚴(yán)格要求設(shè)計(jì)工況值的目的。為了明白各個(gè)節(jié)點(diǎn)載荷影響因素，可以通過用靜力平衡的方法，設(shè)定超級管道的三維坐標(biāo)圖，和力矩M的分布圖，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的需要，對載荷量進(jìn)行組合，保證各個(gè)工況下的應(yīng)力值都能達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在這些因素中，通常需考慮冷熱管道自重、正常運(yùn)行時(shí)的內(nèi)壓、基本運(yùn)行地震、建筑物沉降、蠕變、安全閥排放反力和氣候應(yīng)力等因素。

3.2管嘴應(yīng)力分類線的選取

根據(jù)變電站的超級管道管嘴設(shè)計(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，在遵循應(yīng)力分類線選取的原則下，對超級管道的管嘴徑向和軸向分別選取相應(yīng)的分析數(shù)據(jù)，其中應(yīng)力多集中于的主管軸部分，因此要多關(guān)注該部分的分類線，而在超級管道的徑向位置，相應(yīng)的應(yīng)力就會小很多，不需要特別的關(guān)注，因此，要提高肩部位置的分類線關(guān)注度和要求，而軸向部位可以不進(jìn)行相應(yīng)的嚴(yán)格分類線要求。

4.超級管道管嘴應(yīng)力情況分析結(jié)論

根據(jù)以上的分析過程，可以得出相應(yīng)應(yīng)力分析情況結(jié)論：首先是應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種工況下的載荷是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)工況的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的最大值時(shí)，即可認(rèn)定該設(shè)計(jì)是合格的。在工況的綜合考慮中，還應(yīng)考慮到管道運(yùn)行期間的管道破壞、腐蝕狀況，在長期的應(yīng)力下，對標(biāo)準(zhǔn)值的影響，從而保證最低限定值的準(zhǔn)確性。其次，明確應(yīng)力最集中的位置。根據(jù)超級管道管嘴應(yīng)力集中程度，可以推測應(yīng)力集中的位置應(yīng)當(dāng)是管道軸向的管嘴根部，并不是所謂的超級管道徑向的管根部分。最后，要減少應(yīng)力的影響因素，由于應(yīng)力最集中的地方是超級管道的軸向管嘴根部，因此，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意內(nèi)外表面弧度對應(yīng)力集中的影響，從而避免影響管道的整體強(qiáng)度，讓過渡區(qū)的圓弧更具有連續(xù)性，對于應(yīng)力集中的某些部分，可以根據(jù)該部分的材料力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行組織和均勻性分析，避免因?yàn)閼?yīng)力超過一定值造成腐蝕而破裂。

結(jié)語

核電站主蒸汽超級管道的管嘴受力分析，是根據(jù)最新的超級管道技術(shù)進(jìn)行分析，將相關(guān)的管道管嘴應(yīng)力影響因素進(jìn)行詳細(xì)地分析，針對不同的影響因素及工況的要求，將產(chǎn)生應(yīng)力影響因素消除到最低，從而達(dá)到法定的超級管道管嘴應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，保證核電站主蒸汽超級管道運(yùn)行的安全性。

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