压水堆核电站管道开孔补强技术的分析

方绍 邓晶君 刘志旺

摘 要：我国目前在建核电机组以M310技术改进堆为主，且其设计规范RCC-M 2000&2002是采用等面积法进行管道开孔补强设计的。RCC-M规范在使用等面积法时，对其限制范围、限制条件以及不同管道承压介质工况参数和安全分级的使用区别没有明确说明。从等面积法的理论依据、适用范围、疲劳工况下的应用以及RCC-M规范B篇和C/D篇的规定差异出发，进行分析并总结出等面积法适用范围、限制条件以及注意点，为设计人员正确理解及使用等面积法进行开孔补强设计提供参考。

关键词：开孔补强 等面积法 适用性

中图分类号：TM621.72 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-021-03

1 引言

在核电站管道安装和修理改造过程中，由于工艺或结构上的要求、施工环境条件的限制，经常需要开孔安装接管。管道开孔后，由于其结构连续性的破坏，使其开孔边缘产生很高的局部应力，为降低开孔边缘的应力，应在开孔边缘处采取开孔补强措施。国内外压力容器（管道）设计标准关于开孔补强的设计方法主要有两种，即以ASME规范为代表的等面积法和欧盟标准EN 13445为代表的压力面积法。我国目前在建核电机组以M310技术改进型为主，且基于M310堆型的法国压水堆核电站设计规范RCC-M 2000&2002版是采用等面积法进行管道开孔补强设计的，但等面积法仅适用于开孔率d/D≤0.5的壳体小开孔补强，对d/D>0.5的开孔等面积法无法保证足够的安全性，且该法不适用于有疲劳强度要求的开孔补强计算。

RCC-M规范对等面积法未明确其适用范围（即对开孔尺寸作出限制），而是通过对开孔连接处进行应力校核，以评定补强设计的安全性，理论上是允许的。但却使得补强设计趋于复杂，且应力评定未必能通过；同时，针对有疲劳分析要求的补强，笔者分析后发现RCC-M规范采用了应力指数法和疲劳强度减弱系数对开孔处进行疲劳评定，弥补了等面积法在疲劳强度校核的不足，但指数法进行疲劳鉴定时对管道开孔尺寸、连接结构的几何不连续处的圆角过度等要求是很严格的。RCC-M规范在定义接管几何尺寸、圆角过度等限制条件时并未明确其与疲劳分析的关系，这样容易导致设计人员在正确理解和使用设计规范进行设计时感到迷茫，为设计质量的保证带来了一定的风险。另外，核电站由于管道承压介质工况参数和安全分级的差异，RCC-M规范在等面积补强法的应用上B篇和C/D篇存在很大区别，主要体现在“补强有效范围”的定义和补强圈的使用上，这些区别在规范的应用中也需设计人员格外重视的重视。

本文从等面积法的理论依据、适用范围、疲劳工况下的应用以及RCC-M规范B篇和C/D篇的差异出发，进行分析并总结出等面积法适用范围、限制条件以及注意点，为设计人员正确理解和使用等面积法进行开孔补强设计提供参考。

2 等面积补强法的理论依据

管道开孔并连接支管后，引起了三个问题：（1）由于开孔而使管道承载截面积的削弱，其值为dtr；（2）管道上因开孔而引起的孔边应力集中，其存在范围，从开孔中心算起大致为d；（3）因接管和主管构成不连续结构，在主管上引起了附加的不连续应力，其存在范围，大致和不连续应力的衰减范围成正比。这三者对管道开孔的最终影响是，在接管周围一定范围内应力增大，从而降低管道的承载能力，所以必须“补强”。

等面积补强法原理是管道上开孔而引起削弱的承载面积，应由主管、接管在各自“补强有效范围”内除承压所需截面积外多余的金属面积，不包括腐蚀裕量。以及与管道壁全焊透的焊缝金属和补强圈。其设计的基本公式为：

其中：、分别为在补强有效范围内主管、支管除承受压力所需厚度之外的多余截面积；为全焊透式的焊缝金属截面积；为补强圈截面积。

3 等面积补强法适用范围的分析

等面积补强法源于无限大平板开小圆孔的力学模型，当d/D较小时（ASMEⅧ-1规定d/D>0.5的开孔为大开孔），壳体曲率的影响可忽略不计，将开孔附近的壳体近似看作平板，误差很小；但当d/D较大时，壳体曲率的影响不可忽略，在开孔边缘引起的附加弯曲力矩等会导致边缘的应力状态恶化，则基于平板开小圆孔的等面积补强法不适用。

RCC-M规范在使用等面积法时未对开孔尺寸作出明确限制，但笔者经分析发现规范对管道开孔处进行应力校核，以评定补强设计的安全性，理论上是允许的，但却使得补强设计趋于复杂。规范在应力指数的应用条件上作出了限制：管道开孔支管连接满足r'm / Rm ≤0.5的条件。将公式平均半径转换为直径，即RCC-M规范对管道小开孔的限定条件r'm / Rm ≤0.5与ASME Ⅷ-1规范小开孔规定d/D≤0.5的条件是一致的。从某种程度来讲，RCC-M规范制定者意识到d/D>0.5管道大开孔应力恶化的问题，因此在应力指数应用上对开孔尺寸进行了变相的规定。同时，对d/D>0.5的管道开孔应力指数的选取，RCC-M规范没有相应的推荐值，应力指数的选取只能参考传统工业经验设计选取值，降低了应力评定的有效性，且应力评定未必能通过。

基于上述分析，笔者认为在核电站管道开孔补强设计时，开孔尺寸应明确d/D≤0.5的限定条件，以满足等面积补强法的适用条件；同时，对于d/D>0.5的管道开孔支管连接设计，尽量采用标准系列的三通、管座连接，以满足支管连接处的安全要求。

4 疲劳工况下的等面积法应用的分析

核电站的疲劳现象是不容忽视的，而等面积补强法尽管不适用于有疲劳强度要求的开孔补强计算， 笔者经分析发现RCC-M规范采用了应力指数法和疲劳强度减弱系数法对开孔补强设计进行疲劳分析的补充，弥补了等面积法在疲劳强度校核的不足。同时，指数法免除了开孔处疲劳校核的有限元计算或试验分析，使得疲劳评定简单有效，使用方便。张铁钢在文献中论证了采用应力指数和疲劳强度减弱系数进行疲劳估算时需注意：连接结构必须满足规定的尺寸限制，规定的开孔结构参数：开孔尺寸、几何不连续处的过度圆角等，且仅适用于同种材料的整体补强形式。

笔者认为，在核电站有疲劳分析要求的管道开孔补强设计，需严格遵循RCC-M规范中规定的4种接管几何尺寸，见图2，并采取与主管同材料的整体补强结构，以便有效应用指数法进行疲劳估算。否则，通过有限元分析或试验分析法将使补强疲劳评定过于复杂，工程设计上将很难实现。

5 等面积法在B篇和C/D篇的差异

5.1 有效补强范围的分析

“有效补强范围”可理解为管道开孔后孔边高应力的存在范围，目前从壳体开孔补强的常规设计规范ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2可以看出，该范围和开孔直接d，孔边不连续应力存在范围两个因素有关。阮黎祥在文献中论证了在壳体补强有效范围的定义上，应综合考虑开孔直径d和孔边不连续应力衰减范围才是合理的。C/D篇为设计计算的简单方便，仅选取开孔直径d相关因素为限定条件，未考虑孔边不连续应力存在范围，这与ASME Ⅷ-1的设计理念是保持一致的；而在B篇确定开孔边界LA时，选取开孔直径d相关因素为限定条件的同时，在定义2/3补强有效边界范围时就综合考虑了开孔直径d和孔边不连续应力衰减范围两个因素，使得补强设计更趋于合理化。因此，在“有效补强边界”的定义上，RCC-M 规范B篇侧重于补强的安全性，充分考虑了孔边不连续应力衰减范围的量级因素，计算上较为复杂。C/D篇仅选取与开孔直径d相关，相对而言计算较为简便，方便指导管道开孔补强设计。

5.2 补强结构形式的分析

管道开孔设计的最根本问题就是要尽量降低孔边的应力集中，而降低孔板的应力集中最有效的途径就是将补强金属尽可能布置在开孔边缘及附近，并尽量减少几何不连续现象。具有这些功效的补强结构以整锻件或者密集补强、翻边接管补强以及加厚接管补强为好。唐超在文献中论证过补强圈存在补强金属分散、与壳体存有间隙、而且其外周的几何不连续将产生新的应力集中等缺点。RCC-M规范基于安全的考虑，在B篇RCC-M 1级管道的补强设计时并不允许采用补强圈补强，仅推荐用整锻件补强或挤压接管的密集型补强。而在工况条件一般，应力水平较低的RCC-M 2级及其以下管道的补强设计，C/D篇中才允许采用补强圈补强。

6 结论

（1）等面积补强法用于管道开孔后承压设计强度上的校核，仅适用于管道小开孔 d/D≤0.5，当出现d/D>0.5的大开孔时，孔边缘引起的附加弯曲力矩等会导致边缘的应力状态恶化，此时等面积补强法未必是安全的。RCC-M规范通过对管道开孔进行应力校核，未对开孔尺寸进行限定。但在应力校核时对管道开孔支管连接的应力指数提出需满足r'm / Rm ≤0.5的条件，实质上是意识到d/D>0.5的管道大开孔的应力恶化问题；对d/D>0.5的大开孔情况，RCC-M规范在应力指数的选取上并没有推荐值，应力指数参考传统工业经验值进行选取，降低了应力评定的有效性，且应力评定未必能通过。笔者认为从安全设计的角度出发，支管连接设计时确保开孔率d/D≤0.5，对d/D>0.5的大开孔应选择整体加强的标准系列三通、管座等连接方式。

（2）等面积补强法是不适用于有疲劳强度要求的开孔补强计算，笔者经分析发现RCC-M规范采用了应力指数法和疲劳强度减弱系数法对补强设计进行了疲劳鉴定，弥补了等面积法在疲劳校核的不足。但采用指数法进行疲劳估算对补强结构、连接处的几何尺寸等有诸多要求。笔者认为在有疲劳工况的管道开孔补强设计时，需严格执行RCC-M规范中的接管的几何特性要求，以便进行疲劳评定。

（3）RCC-M规范在“有效补强范围”的定义上，B篇考虑了开孔直径d，孔边不连续应力存在范围两个因素，更为合理、安全，但给设计计算带来一定的复杂度。C/D篇仅选取与开孔直径d相关，计算较为简便，方便指导补强设计；在补强圈的应用上，B篇中对RCC-M 1级管道开孔补强是不允许使用补强圈的，仅推荐用整锻件补强或挤压接管的密集型补强。而在工况条件一般，应力水平较低的RCC-M 2级及其以下管道开孔补强，C/D篇才允许使用补强圈进行补强。上述的区别体现来核电站在承压管道安全分级及介质工况参数的差异，设计人员在应用等面积法时需对承压管道的安全分级及工况参数加以区分，正确使用RCC-M规范进行补强设计。

参考文献：

[1] RCC-M 2000&2002[S].

[2] ASME Ⅷ-1，2007[S].

[3] ASME Ⅷ-2，2007[S].

[4] 阮黎祥，丁伯民.开孔补强的等面积法和压力面积法的联系和区别-兼对ASME Ⅷ-2（2007）开孔补强的分析[J].化工设备与管道，2008（2），45（1）.

[5] 唐超.再谈开孔补强的有关问题[J].石油化工设计，1999，16（3）：23-27.

[6] 张铁钢.应力指数法和疲劳强度减弱系数法在疲劳容器设计中的应用[J].石油化工设备技术，2006，27（3）：1.