“華龍一號”雙層安全殼貫穿件設計載荷計算方法研究

弓振邦，余順利，彭星銘

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

HPR1000雙層安全殼貫穿件是將安全殼內部與外部流體管道連接在一起的關鍵性部件，它屬于反應堆安全殼的一部分。在各種工況下，它既要滿足系統(tǒng)管道設計的要求，又必須確保安全殼的氣密性和完整性。

由于機械貫穿件將貫穿管路與安全殼混凝土中預埋的套筒連接在一起，管道借助機械貫穿件與反應堆安全殼緊密地連接在一起，各種工況下管道所承受的載荷經機械貫穿件傳遞給安全殼，因此機械貫穿件又起著系統(tǒng)管道固定支架的作用。

1 貫穿件封頭設計載荷的計算思路

HPR1000雙層安全殼貫穿件封頭載荷的計算方法參考了 M310核電廠貫穿件及 AP1000雙層安全殼貫穿件的載荷計算方法。但由于M310電廠為單層安全殼，貫穿件布置方式與雙層安全殼的貫穿件布置方式不同，AP1000核電廠主蒸汽及主給水管道不把貫穿件作為固定點，且 AP1000固定端為鋼制安全殼，所以研究針對HPR1000貫穿件載荷的確定方法在參考M310及AP1000電廠的基礎上，加入了新的計算方法。

1.1 計算原則及假設

貫穿件應力計算及載荷確定中遵循如下原則：

（1） 作用于封頭的設計外部載荷不是真實的作用于封頭的載荷，而是基于管道所能作用于封頭兩端的最大彎矩。

（2） 由管道傳遞的外部載荷作用點如圖 1所示。

圖1 管道傳遞的外部載荷作用點Fig.1 Point of action for external loads transmitted by pipeline

（3） 載荷同時作用在封頭兩側，并考慮最不利的方向組合。

（4） 不考慮外側安全殼與管道之間的柔性連接引起的載荷。

1.2 各工況下貫穿件封頭承受的載荷類型

貫穿件計算中考慮了如下載荷：

（1）管道中流體的壓力；

（2）安全殼內部的壓力；

（3）管道傳遞的外部載荷。

2 管道傳遞的外部載荷

對于1.2節(jié)中提到的貫穿件外部載荷，管道內部壓力及安全殼內部壓力是設計中已經明確的載荷，且施加方式也不會存在異議。但管道傳遞的外部載荷就需要進行詳細的分類計算，本節(jié)給出管道傳遞外部載荷的計算思想。

2.1 中能管道傳遞的外部載荷

當貫穿件連接管道為中能管道，即工作壓力不超過2 MPa且工作溫度不大于100 ℃的中能流體系統(tǒng)的管道，不考慮管道的斷裂。正常與異常工況下應該保證管道處于完全彈性的狀態(tài)，即作用于封頭兩端的彎矩、扭矩及力載荷如公式（1）所示[1]：

各工況下封頭兩端傳遞的管道外部設計載荷如表1所示。

表1 各工況下封頭兩端管道外部載荷Table 1 External load of pipes at both ends of the lower head under various working conditions

2.2 主蒸汽和主給水管道傳遞的外部載荷

2.2.1正常與異常工況下傳遞的外部載荷

正常與異常工況下，主蒸汽及主給水管到貫穿件載荷與其他高能管道貫穿件的載荷計算方法一致，見2.3節(jié)。

2.2.2事故工況下管道傳遞的外部載荷

主蒸汽管道和主給水管道均為高能管道，需考慮高能管道破裂的情況，即需考慮傳遞到貫穿件的破裂載荷。

（1）主給水系統(tǒng)管道傳遞的破裂載荷

以福清核電5、6號機組為例，主給水系統(tǒng)管道貫穿件在安全殼內測連接管道為TFM001、TFM002、TFM003，根據管道的應力計算結果，主給水管道 TFM001、TFM002、TFM003的破裂位置如圖 2～圖 4所示，且各個假想的破裂點均為環(huán)向破口。

圖2 TFM001管道假想斷裂位置（1～4）Fig.2 Hypothetical location 1 to 4 of TFM001 pipe break

（2）主蒸汽系統(tǒng)管道傳遞的破裂載荷

由于主蒸汽系統(tǒng)管道采用破前漏（Leak Before Break，LBB）技術，所以未進行相應管道的假想破裂位置分析，主蒸汽系統(tǒng)管道傳遞給貫穿件的破裂載荷方向和計算方法參照主給水系統(tǒng)的管道破裂載荷的方向和計算方法。對于安全殼內側管道破裂，載荷組合方法這里采用與主給水管道相同的組合方法。對于安全殼外側管道破裂，由于主蒸汽管道貫穿件在安全殼外側連接的直管段上有兩個橫向限制件，這兩個橫向限制件能夠限制管道剪力方向的位移以及彎矩和扭矩方向的轉角，所以安全殼外側連接管道如果破裂則只有軸力可以傳遞到貫穿件上。

圖3 TFM002管道假想斷裂位置（1～4）Fig.3 Hypothetical location 1 to 4 of TFM002 pipe break

圖4 TFM003管道假想斷裂位置（1～4）Fig.4 Hypothetical location 1 to 4 of TFM003 pipe break

通過對上面安全殼內外側連接貫穿件管道假想破裂點噴放力方向的分析，可以確定出各個破裂點噴放力傳遞到貫穿件后的載荷方向，具體包括的載荷如表2所示。

表2 主給水管道各個破裂點傳遞的載荷方向Table 2 Load direction of each fracture point of the main water supply pipeline

2.3 其他高能管道傳遞的外部載荷

當貫穿件連接管道為高能管道，即工作壓力大于2 MPa或者工作溫度超過100 ℃，且維持該狀態(tài)的時間超過總運行時間的 2%的高能流體系統(tǒng)的管道，要考慮“高能”管道破裂的情況，即需考慮傳遞到貫穿件的破裂載荷，破裂工況下考慮的載荷按公式（2）確定（此時管道整個截面都屈服且考慮應力強化效應）：

各工況下封頭兩端傳遞的管道外部設計載荷如表3所示。

表3 各工況下封頭兩端傳遞的管道外部設計載荷（考慮斷裂）Table 3 External design load of the pipe transferred at both ends of the lower head under various working conditions（considering fracture）

3 結論

本文給出了“華龍一號”機械貫穿件在不同工況下設計載荷的確定方法。對于管道傳遞給貫穿件的接管載荷，分別針對中能管道、高能管道（除主蒸汽、主給水管道）以及主蒸汽和主給水管道三種情況給出了貫穿件接管載荷的計算方法。尤其對于主蒸汽管道與主給水管道貫穿件，根據管道詳細破裂點位置進行了精細分析，給出了準確傳遞到貫穿件的破裂載荷，為貫穿件和安全殼的設計提供了計算依據，在確保設計安全性的同時也避免了該處貫穿件和安全殼承受過于保守的設計載荷，降低了主蒸汽和主給水管道貫穿件及安全殼的設計難度。