国核压水堆示范工程再热管道布置方案分析

高宏喜，秦重阳，杨晖，李曦滨

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

国核压水堆示范工程再热管道布置方案分析

高宏喜，秦重阳，杨晖，李曦滨

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章介绍了国核压水堆示范工程再热管道的布置方案，然后进行了再热管道的应力分析，并对管道施加在汽缸和MSR管口的载荷进行了校核，结果表明该方案满足工程要求。

再热管道，MSR，高中压缸，膨胀节，载荷

0 引言

核电再热管道的主要作用是将高压缸排汽引入MSR（汽水分离再热器）进行汽水分离再热，而后将再热后的蒸汽引入中 （低）压缸做功。国核压水堆示范工程要求MSR采用一端固定，一端滑动的支撑型式。目前已投运的岭澳二期、宁德、红沿河等工程中MSR均采用两端滑动的支撑型式。再热管道管径大、布置空间有限，MSR支撑型式的差异对再热管道的布置有非常大的影响，而再热管道的布置又会对汽缸的稳定性和强度以及MSR的强度产生较大影响，因此需要仔细设计并与设计院配合工作，以满足工程需要。

本文介绍了国核压水堆示范工程的再热管道布置方案，通过对管道的应力分析以及对管道施加到设备接口的载荷校核，论证了此方案可以满足工程要求。

1 再热管布置方案

国核压水堆示范工程MSR采用机头侧滑动，机尾侧固定的支撑型式。再热管道左右两侧对称布置，如图1所示。

图1 再热管道布置示意图

取左侧管道介绍其布置方案。如图2所示，高压缸排汽经再热冷段管道进入MSR，经汽水分离再热后，通过再热热段管道进入中压缸做功。再热冷段左上管道柔性较好，可以通过自身柔性吸收管道热膨胀；再热冷段左下管道增加2个相同的角向膨胀节，以吸收管道热膨胀；再热热段左上和左下管道分别增加一个弯管压力平衡式膨胀节来吸收管道热膨胀。

图2 左侧再热管道布置方案

再热管道支吊架设置如图3所示。中压蝶阀支架生根在运行平台的钢梁上；中压蝶阀两侧增加阻尼器，以保证管道在阀门关闭、地震等偶然工况下的稳定性，中压蝶阀上阻尼器生根在MSR检修平台的钢梁上。再热冷段左上管道增加一弹簧支座，支座生根在基座前方的埋件上新增钢梁的上方，通过钢梁将载荷传递到基座上；再热冷段左下管道位于基座和运行平台下方，在管道中间增加一弹簧吊架，生根在基座侧边运行平台的钢梁下方。

图3 再热管道支吊架设置示意图

2 应力分析

2.1 应力分析模型

再热管的应力分析模型如图4所示。MSR采用大直径管道模拟，其重量等于MSR运行重量；弯管压力平衡式膨胀节采用简化膨胀节模型模拟，给定其轴向和横向刚度，由于弯管压力平衡式膨胀节可以吸收内压产生的压力推力，因此不考虑压力推力作用；设备接口给定运行工况的热位移值。

图4 再热管道应力分析模型

2.2 应力分析结果

根据ASME B31.1《动力管道》[1]规范对再热管的管道应力进行分析校核。图5～图7分别给出了持续载荷下的一次应力、二次应力以及偶然载荷下的一次应力校核结果。所谓一次应力，是指由于压力、重力和其他外力载荷的作用所产生的应力。它是平衡外力载荷所需的应力，随外力载荷的增加而增加。而二次应力是指由于热胀、冷缩、端点位移等位移载荷的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必需的应力[2]。从图中可以看出，再热管道的一次、二次应力都满足规范要求。

管道上各支吊架均在土建结构上生根，因此需校核土建结构能否承受相应的支吊架载荷。根据计算结果，校核MSR支座、中压蝶阀支架以及管道弹簧支吊架在冷态、运行以及极限情况 （地震汽锤）下的载荷。经确认，土建结构可以满足此荷载要求。

图5 持续载荷下一次应力校核

图6 持续载荷下二次应力校核

图7 偶然载荷下一次应力校核

2.3 膨胀节分析结果

膨胀节在运行状态下会发生变形来吸收管道的热膨胀。表1给出了再热管膨胀节在运行状态下的热位移结果，其中膨胀节位置如图8所示。可以看出，每个膨胀节的热位移值均在允许位移的范围之内。

表1 运行状态下膨胀节热位移结果

图8 膨胀节位置示意图

3 设备接口载荷校核

3.1 高中压缸接口载荷校核

再热管分别与高中压缸的高压排汽口、中压进汽口相连。在各工况下管道会对汽缸接口产生一定的载荷作用。这些载荷必须满足汽缸的稳定性和汽缸接口处强度的要求，需进行汽缸稳定性以及汽缸接口有限元分析校核。

3.1.1 汽缸稳定性校核

所谓汽缸稳定性校核，即是将作用在汽缸上的各接口 （高压进汽口、中压进汽口、高压排汽口、中压排汽口、高中压部分抽汽口）的载荷及汽缸做功时产生的反力矩分解到汽缸各支撑处，并计算出汽缸支撑处的垂直反力及作用在汽缸上的横向合力、轴向推力，根据这些力占汽缸重力的比值来校核汽缸的稳定性。

根据火力发电设备计算手册[3]，结合火电汽轮机汽缸的稳定性计算经验，并考虑到半转速核电汽轮机功率大的特点，确定了核电高中压缸稳定性判定准则。

根据判定准则的校核结果如表2所示。

表2 高中压缸汽缸稳定性校核结果

3.1.2 汽缸接口强度有限元分析

该核电汽轮机高中压缸因其低参数/大流量的工作特点，及其结构为大口径薄壁汽缸，故各管口推力和推力矩都可能影响汽缸结构强度。根据汽缸及管口载荷共分析了6种工况，如表3所示，其中热态工况考虑了温度压力的作用。由于冷态工况下管道对汽缸接口的载荷较小，且没有温度与压力的影响，对汽缸接口的强度影响较小。因此下面主要分析热态工况下管道对汽缸接口强度的影响。图9～图11分别给出了热态工况下汽缸垂向、轴向和横向的位移云图。图12和图13分别给出了热态工况下上、下缸管口的等效应力云图。从图中可以看出，热态工况下汽缸管口的等效应力均满足汽缸强度设计要求。

表3 计算分析工况

图9 热态工况汽缸垂向位移云图

图10 热态工况汽缸轴向位移云图

图11 热态工况汽缸横向位移云图

图12 热态工况汽缸上半缸应力云图

图13 热态工况汽缸下半缸应力云图

3.2 MSR接口载荷校核

与汽缸类似，再热管道也会对MSR的接口施加一定的载荷。这些载荷会影响MSR接口的强度，因此需要对各工况下的载荷进行校核，以保证MSR接口强度满足设备要求。根据再热管道应力分析结果，将各工况下再热管道施加到MSR接口处的载荷提交给相关设备制造方进行校核。设备厂家对MSR主蒸汽进出口接管管口以及其对应筒体局部应力、支座以及其对应的筒体局部应力进行了校核，校核结果均满足要求。

4 结论

本文介绍分析了国核压水堆示范工程再热管道的布置方案，通过分析，得出以下结论：

（1）再热管道管系应力满足ASME B31.1规范要求；

（2）管道中膨胀节变形量可以满足所有工况要求；

（3）管道支吊架、阻尼器的位移和载荷均在合理的范围内，土建结构满足载荷要求；

（4）汽缸接口载荷满足汽缸稳定性以及汽缸接口强度要求；

（5）MSR接口载荷满足MSR接口强度要求。

综上所述，国核压水堆示范工程再热管道布置方案可以满足工程需要。

[1]ASME B31.1-2007,Pow er Piping[S].2007

[2]唐永进.压力管道应力分析[M].北京:中国石化出版社, 2010

[3]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册:第二卷[M].北京:机械工业出版社,2007

Analysis of Piping Arrangement of Reheat Pipe of State Nuclear Power PWR Dem onstration Project

Gao Hongxi，Qin Chongyang，Yang Hui，Li Xibin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Reheat piping arrangement of state nuclear power PWR demonstration projectwas introduced.Then the pipe stress analysiswas carried out,and the piping force acting on the nozzle of HIP casing and MSR was checked.The result showed that the piping arrangement could meet the requirements of the project.

reheat pipe,MSR,HIP casing,expansion joint,load

TK262

：A

：1674-9987（2014）03-0005-06

高宏喜 （1975-），男，硕士，高级工程师，1997年毕业于西安交通大学涡轮机专业，东方汽轮机有限公司产品开发处核电室主任，一直从事汽轮机设计工作。