核電廠蒸汽發(fā)生器管板厚度計(jì)算方法研究

李冬慧　魯佳　胡彧　田雅婧　袁宏

【摘 要】核電廠蒸汽發(fā)生器管板厚度計(jì)算是壓水堆一回路系統(tǒng)承壓邊界尺寸計(jì)算的關(guān)鍵。本文采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)和ASME VIII-1標(biāo)準(zhǔn)對包括蒸汽發(fā)生器傳熱管節(jié)距、布管圓直徑、管板外徑、筒體連接段厚度等主要參數(shù)的變化對管板厚度計(jì)算的影響進(jìn)行對比計(jì)算分析，研究蒸汽發(fā)生器管板厚度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器;管板;厚度計(jì)算

中圖分類號： TL353.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0012-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.006

Study on Thickness Calculation Method of the Tube Plate of Steam Generator in Nuclear Power Plant

LI Dong-hui LU Jia HU Yu TIAN Ya-jing YUAN Hong

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610243，China）

【Abstract】Tube plate thickness calculation of PWR steam generator（SG）is a critical work for affirming the dimension of reactor coolant pressure boundary（RCPB）.In this paper，TEMA standard and ASME VIII-1 standard are adopted to conduct comparative calculation and analysis on the influence of changes in main parameters，including the pipe pitch of tube-sheet，diameter of tube layout，outer diameter of tube plate，thickness of connecting section，etc.on the calculation of tube plate thickness，so as to study the application characteristics of the calculation standard of the SG tube plate thickness.

【Key words】Steam generator tube plate;Thickness calculation

0 引言

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠核島內(nèi)三大重要設(shè)備之一，俗有“核電之肺”之稱。它是一、二回路的邊界，將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)并產(chǎn)生品質(zhì)合格的蒸汽用以推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。壓水堆核電廠多采用立式U型管式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，管板是一、二次側(cè)壓力邊界，并且有開孔與傳熱管脹接連接。因此，管板厚度計(jì)算是蒸汽發(fā)生器承壓邊界尺寸計(jì)算的關(guān)鍵。在蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)過程中，一般先采用換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)初步確定管板計(jì)算厚度，再根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定管板厚度并按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

本文基于某核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)（如表1所示），采用TEMA[1]標(biāo)準(zhǔn)和ASME VIII-1[2]（以下簡稱“ASME標(biāo)準(zhǔn)”）對包括蒸汽發(fā)生器傳熱管節(jié)距、布管圓直徑、管板外徑、筒體連接段厚度等主要參數(shù)對管板厚度計(jì)算的影響進(jìn)行對比計(jì)算分析，研究不同蒸汽發(fā)生器管板厚度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用特點(diǎn)。其中，應(yīng)用TEMA標(biāo)準(zhǔn)可直接計(jì)算最小管板厚度，ASME標(biāo)準(zhǔn)是對管板厚度進(jìn)行校核計(jì)算，本文采用數(shù)值分析軟件編程迭代計(jì)算最小管板厚度。由于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均基于剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度確定管板厚度，因此本文在進(jìn)行計(jì)算過程中，分別基于彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度確定最小厚度，并按各標(biāo)準(zhǔn)要求確定管板計(jì)算厚度。

1 計(jì)算方法簡介

本節(jié)計(jì)算方法中采用的TEMA標(biāo)準(zhǔn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式較多，以下關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)簡介中采用與標(biāo)準(zhǔn)相同符號，并且只介紹主要計(jì)算公式。

1.1 TEMA標(biāo)準(zhǔn)

TEMA標(biāo)準(zhǔn)是美國管式換熱器制造商協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)于U型管式換熱器管板厚度計(jì)算方法是分別按照彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度計(jì)算，最終計(jì)算厚度取二者中較大者。計(jì)算公式如下：

1.2 ASME標(biāo)準(zhǔn)

ASME標(biāo)準(zhǔn)是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)于U型管式換熱器管板厚度計(jì)算主要是對于給定管板厚度分別按照彎曲強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度，與管板連接的殼體（二次側(cè)筒體）中的連接段內(nèi)軸向應(yīng)力、與管板連接的殼體（一次側(cè)封頭）中的軸向應(yīng)力校核計(jì)算，滿足校核要求即可確定管板厚度。計(jì)算方法如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 傳熱管節(jié)距對管板計(jì)算厚度的影響

在布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算節(jié)距為25mm、26mm、27mm、28mm、29mm時(shí)最小管板厚度，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，無論是采用ASME標(biāo)準(zhǔn)還是TEMA標(biāo)準(zhǔn)，管板計(jì)算厚度隨傳熱管安裝節(jié)距的增大而減小，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)的，它們之間的差值隨傳熱管節(jié)距的增大而增大。對于基于彎曲強(qiáng)度的計(jì)算，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，而對于基于剪切強(qiáng)度的計(jì)算，剛好相反;并且基于彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算厚度差值均隨傳熱管節(jié)距增大而減小。由于ASME標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算管板厚度考慮一次側(cè)和二次側(cè)筒體連接段內(nèi)軸向應(yīng)力，而基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計(jì)算厚度大于基于管板彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的計(jì)算厚度，最終基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算厚度決定管板計(jì)算厚度。從TEMA標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果可以看出，基于彎曲強(qiáng)度的計(jì)算厚度大于基于剪切強(qiáng)度的計(jì)算厚度。

2.2 布管圓直徑對管板計(jì)算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，管板外徑為3500mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算布管圓直徑為2800mm、2900mm、3000mm、3100mm、3200mm時(shí)管板最小計(jì)算厚度，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，基于彎曲強(qiáng)度的計(jì)算，隨著布管圓直徑的增大，采用ASME的計(jì)算厚度會(huì)隨之增大，而采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算厚度保持不變，并且當(dāng)布管圓直徑小于2900mm時(shí)，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度小于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，當(dāng)布管圓直徑大于或等于2900mm時(shí)，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，它們之間的差值隨布管圓直徑增大而增大;基于剪切強(qiáng)度的計(jì)算，兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度均隨布管圓直徑增大而增大，并且采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度要高于采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，它們之間的差值隨布管圓直徑增大而增大。采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計(jì)算厚度決定管板計(jì)算厚度，并且管板計(jì)算厚度隨布管圓直徑的增大而減小;采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于彎曲強(qiáng)度的計(jì)算厚度大于基于剪切強(qiáng)度的。

2.3 管板外徑對管板計(jì)算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，布管圓直徑為3000mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算管板外徑為3200mm、3350mm、3500mm、3650mm、3800mm時(shí)管板最小計(jì)算厚度，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力計(jì)算的厚度不隨管板外徑變化，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算厚度決定管板計(jì)算厚度，并且管板計(jì)算厚度隨管板外徑增大而減小。采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于彎曲應(yīng)力的計(jì)算厚度隨管板外徑增大而增大，而基于剪切應(yīng)力的計(jì)算厚度保持不變。對于基于彎曲強(qiáng)度的計(jì)算，當(dāng)管板外徑小于或等3500mm時(shí)，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，當(dāng)布管圓直徑大于3500mm時(shí)，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度小于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的;對于基于剪切應(yīng)力的計(jì)算，兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度不隨管板外徑改變，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度均小于采用TEMA計(jì)算的。

2.4 一次側(cè)連接段厚度對管板計(jì)算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算一次側(cè)連接段厚度為185mm、190mm、195mm、200mm、205mm時(shí)管板最小計(jì)算厚度，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，對于基于彎曲強(qiáng)度的計(jì)算，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度都隨一次側(cè)連接段厚度增大而增大，采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度隨一次側(cè)連接段厚度增大而減小，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的。對于基于剪切強(qiáng)度計(jì)算，無論采用ASME標(biāo)準(zhǔn)還是TEMA標(biāo)準(zhǔn)，管板計(jì)算厚度隨一次側(cè)連接段厚度的變化而保持不變，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的厚度小于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的。采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計(jì)算厚度決定管板計(jì)算厚度，并且管板計(jì)算厚度隨一次側(cè)連接段厚度增大而減小;而采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于彎曲強(qiáng)度計(jì)算的厚度大于基于剪切強(qiáng)度計(jì)算的，決定了管板計(jì)算厚度，并且隨一次側(cè)連接段厚度的增大而增大。

2.5 二次側(cè)連接段厚度對管板計(jì)算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算一次側(cè)連接段厚度為90mm、95mm、100mm、105mm、110mm時(shí)管板最小計(jì)算厚度，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，對于基于彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的計(jì)算，無論采用ASME標(biāo)準(zhǔn)還是TEMA標(biāo)準(zhǔn)，管板計(jì)算厚度都不隨二次側(cè)連接段厚度變化。對于采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)，基于彎曲強(qiáng)度計(jì)算的厚度均要大于基于剪切強(qiáng)度計(jì)算的。采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計(jì)算厚度決定管板計(jì)算厚度，并且管板計(jì)算厚度隨二次側(cè)連接段增大而減小;而采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基于彎曲強(qiáng)度計(jì)算的厚度大于基于剪切強(qiáng)度計(jì)算的，決定了管板計(jì)算厚度。

3 結(jié)論

1）ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)是換熱器管板設(shè)計(jì)的常用標(biāo)準(zhǔn)，一般地，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算厚度要大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的。在核電廠蒸汽發(fā)生器管板厚度計(jì)算時(shí)，建議優(yōu)先采用ASME標(biāo)準(zhǔn)。

2）ASME標(biāo)準(zhǔn)考慮管板了彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及一、二次側(cè)筒體連接段中的軸向應(yīng)力，其中一、二次側(cè)筒體連接段內(nèi)的軸向應(yīng)力對管板計(jì)算厚度的大小起主導(dǎo)作用。

3）ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算中，基于彎曲強(qiáng)度計(jì)算的管板厚度均要大于基于剪切強(qiáng)度計(jì)算的管板厚度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]美國管式換熱器制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（TEMA），2007.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范.第Ⅷ卷第一冊 壓力容器建造規(guī)則，2010.