帶封板貫穿件性能優(yōu)化力學研究

朱建新，宋 煜，周 瑩，余權(quán)舟，肖文宇

(上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233)

0 引言

核電站有大量穿墻和穿樓板貫穿件[1-2]，在功率升級設計過程中，需在原有的標準設計基礎上進行力學性能優(yōu)化設計，提高貫穿件的力學性能。在核電廠中，核島廠房布置非常緊湊，一旦出現(xiàn)上述問題，再進行設計變更會增加施工難度。由于現(xiàn)場施工的條件所限，需在原有的基礎上進行易操作的設計變更[3]。

1 貫穿件簡介

管道貫穿件指貫穿結(jié)構(gòu)模塊墻、樓板及其他普通混凝土墻、樓板的部件。大多數(shù)安全殼內(nèi)的管道貫穿件貫穿結(jié)構(gòu)模塊。

管道貫穿件貫穿結(jié)構(gòu)的形式[4-6]主要有以下3種：

(1)開放式：工藝管道穿過套管，工藝管道與套管間可用密封膠密封，也可不密封；

(2)固定式：工藝管道與套管固定在一起；

(3)預埋式：工藝管道直接預埋于混凝土中。

2 主要問題

大部分需要設計變更的貫穿件是固定式中帶封板的貫穿件，需要修改的帶封板貫穿件的示意如圖1所示。

圖1 固定式帶封板貫穿件示意圖

帶封板的貫穿件評定路徑見圖2，其中管道及管道與封板間的焊縫(PATH1至PATH4)按照ASME 規(guī)范NC/ND分卷進行評定,封板及套筒(PATH4至PATH7)按照ASME 規(guī)范第Ⅲ卷NF分卷進行評定。

圖2 帶封板的貫穿件評定路徑

評定準則如表1所示。

表1 帶封板貫穿件評定準則

規(guī)定的驗收準則是基于ASME規(guī)范第Ⅲ卷，NC/ND分卷 (附錄ⅩⅢ)和NF分卷 (附錄F) 中定義的應力準則，見表2、表3。

表2 帶封板貫穿件ASME NC/ND區(qū)域的許用應力強度[7-8]

表3 帶封板貫穿件ASME NF區(qū)域的許用應力強度[9]

管道計算時把熱應力歸為二次應力考慮，貫穿件評定時熱應力歸為一次應力并進行評定，因此當管道布置導致傳遞給貫穿件的熱脹載荷過大時，導致貫穿件評定不滿足規(guī)范要求。

對于貫穿件承受的載荷增大，由于布置空間沒有相應變化，設備、管道尺寸的增大導致空間更狹小，勉強可容納原堆型的設計方案，從而導致大量新堆型貫穿件計算結(jié)果不滿足規(guī)范評定要求，主要不通過的路徑為PATH3和PATH6。

3 優(yōu)化方案

基于替換思路的3個解決方案如下：

帶封頭的方案，見圖3。不適合大面積使用，且每個封頭都是鍛件定制的，成本較高[4]。

圖3 帶封頭貫穿件示意圖

帶膨脹節(jié)方案，見圖4。改變了管系的約束邊界，不再是固定點，管道要重新計算。

圖4 帶膨脹節(jié)貫穿件示意圖

預埋式貫穿件方案:預埋式貫穿件部分結(jié)構(gòu)模塊已經(jīng)加工完成，改回預埋式的，就要返工，把套管取出來，大孔封堵，重新開孔，安裝預埋式貫穿件，影響工程進度，并且預埋式的有使用限制，溫度超過93 ℃不能用。

3種替代型的方案都不可行，因此，考慮采取局部加強的方式來解決應力過大的問題。基于局部加強思路的解決方案為加強筋形式、加保護套管。

加強筋形式:在封板和管道的前段補焊加強肋板，達到局部加強，如圖5所示。

圖5 加強方案A貫穿件示意圖

加保護套管:在管道外側(cè)與封板之間補焊一段套管，并且將封板壁厚加厚，如圖6所示。

圖6 加強方案B貫穿件示意圖

4 分析對比

帶封板貫穿件最薄弱區(qū)域即應力最大位置通常發(fā)生在路徑3和路徑6上，因此后續(xù)將重點關(guān)注路徑3和路徑6的改善情況。

4.1 方案A優(yōu)化分析

原帶封板貫穿件路徑3位置線性化結(jié)果中膜應力值為115.91 MPa，膜加彎應力值為216.82 MPa。A方案加強后帶封板貫穿件路徑3位置線性化結(jié)果中膜應力最大值為169.06 MPa，膜加彎應力最大值為203.58 MPa。加強肋板處應力集中影響明顯，導致在加強位置膜應力不降反增。

原帶封板貫穿件路徑6位置線性化結(jié)果中膜應力值為125.88 MPa，膜加彎應力值為190.63 MPa，如圖7所示。A方案加強后帶封板貫穿件路徑6位置線性化結(jié)果中膜應力最大值為199.11 MPa，膜加彎應力最大值為317.06 MPa。加強肋板處應力集中影響明顯，導致加強模型應力增大，如圖8所示。

圖7 原貫穿件應力云圖

圖8 加強方案A貫穿件應力云圖

從應力圖中可以看出，原帶封板貫穿件最大應力出現(xiàn)在封板和管道內(nèi)部，A方案加強后帶封板貫穿件最大應力出現(xiàn)在封板和套管處，且最大應力值不降反升，這是由于發(fā)生集中應力，導致局部應力增大。

表4為方案A應力下降百分比。

表4 方案A應力下降百分比 %

4.2 方案B優(yōu)化分析

評定方案B時，由于承壓邊界發(fā)生改變，因此需增加NF的評定，關(guān)鍵路徑選取規(guī)則同帶封板貫穿件原路徑相同，通過結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)應力均有大幅下降，如表5所示。

表5 方案B應力下降百分比 %

原帶封板貫穿件路徑3位置線性化結(jié)果中膜應力值為146.92 MPa，膜加彎應力值為183.69 MPa。B方案加強后帶封板貫穿件路徑3位置線性化結(jié)果中膜應力最大值為47.11 MPa，膜加彎應力最大值為59.27 MPa。

原帶封板貫穿件路徑4位置線性化結(jié)果中膜應力值為172.93 MPa，膜加彎應力值為432.82 MPa。B方案加強后帶封板貫穿件路徑4位置線性化結(jié)果中膜應力最大值為33.77 MPa，膜加彎應力最大值為45.93 MPa。

原帶封板貫穿件路徑6位置線性化結(jié)果中膜應力值為67.76 MPa，膜加彎應力值為83.19 MPa。B方案加強后帶封板貫穿件路徑6位置線性化結(jié)果中膜應力最大值為56.1 MPa，膜加彎應力最大值為57.68 MPa。

4.3 方案對比

對方案A和方案B進行對比分析，研究發(fā)現(xiàn)方案A的加強側(cè)在熱脹的情況下同時發(fā)生熱脹，因此在局部加強后，加強肋對二次應力沒有起到緩解的作用，而方案B在封板加厚后，實際二次應力承載過渡區(qū)域增大，因此能起到緩解應力的作用。

5 尺寸優(yōu)化

基于方案B貫穿件應力大幅下降，在方案B的基礎上做進一步研究，現(xiàn)有制造工藝最大可以增加至2倍壁厚，優(yōu)化方案如圖9所示，封板和保護套管同時增厚50%，或封板和保護套管同時增厚100%。

圖9 加強方案B優(yōu)化示意圖

對增厚50%和增厚100%分別進行計算，得出以下結(jié)論：

壁厚增加50%，最大應力減小86.64%，壁厚增加100%，最大應力減小89.39%。

增厚50%后，較大應力處(封板位置)應力減小幅度超50%，改善效果非常明顯，較小應力處(套管處)應力減小幅度約20%，增厚100%后應力減小明顯，表明增厚效果前期比較明顯，較大應力處(封板位置)應力降幅較大，對套管的應力也有一定緩解，后期應力值趨于穩(wěn)定，影響程度減弱，如圖10所示。

圖10 加強方案B優(yōu)化對比圖

由于加工工藝限制，管道保護套管壁厚最厚不能超過管道壁厚，封板厚度最厚不能超過管道壁厚加保護套管壁厚的2倍。因此在后續(xù)實際工程應用中，首先考慮增加保護套管，最大增加至管道壁厚，如若計算不通過，再增厚封板壁厚，最大增厚至管道壁厚與保護套管壁厚的2倍。

6 敏感性分析

電廠內(nèi)貫穿件應用于各種管徑下，在基于方案B的加強情況下，對方案B進行管徑的加強方案敏感性分析，下面對1英寸(1英寸=25.4 mm)管道貫穿件、2英寸管道貫穿件、3英寸管道貫穿件進行分析，結(jié)果如圖11所示，可見管徑尺寸對加強方案的應力緩解有影響，1英寸、2英寸管道貫穿件的加強方案對應力的緩解幅度更大，1英寸和2英寸管道貫穿件的變化較小。1英寸和2英寸管道貫穿件局部加強后降幅達到80%左右。3英寸管徑局部加強后降幅達到60%左右。管徑較小的局部加強后降幅較大，該局部加強方案在靠近管道處的應力敏感度較大，靠近套管位置的敏感度較小，如圖11所示。

圖11 加強方案管徑尺寸敏感性對比圖

7 結(jié)論

本文在原有各種型式貫穿件承載特點的基礎上，結(jié)合管道其他約束方式的設計分析經(jīng)驗，提出了帶封板貫穿件的修改方案。通過對各方案的力學分析、加工和安裝可行性與經(jīng)濟性分析的論證，確定最終修改方案并已應用于核電站的工程設計中。修改方案可以廣泛應用于各種堆型高承載貫穿件的設計中，避免管道壓力邊界的結(jié)構(gòu)設計修改，為工程設計提供了補充設計方案。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在工程條件所限的情況下，局部加強方案可行。加筋肋方案會引起應力集中，不適用于貫穿件的加強。增加保護套管并增厚封板對貫穿件加強效果較好。增加保護套管并增厚封板前期效果比較明顯，較大應力處(封板位置)應力降幅較大，對套管的應力也有一定緩解，后期應力值趨于穩(wěn)定，影響程度減弱。管徑對加強方案的應力緩解有一定影響，管徑越小，緩解效果越明顯。管徑較小的局部加強后降幅較大，在靠近管道處的應力敏感度較大，靠近套管位置的敏感度較小。

對于貫穿件的加強形式，應增加保護套管類似的一體化連續(xù)性的局部加強，不應加強板類似的間斷性的局部加強，間斷性的局部加強會導致應力集中，不利于緩解應力。