核电站主蒸汽超级管道管嘴受力情况分析

2016-12-12赵福建邓赐邦

中国新技术新产品 2016年19期

关键词：核电站核电半径

赵福建邓赐邦

（武汉海王新能源工程技术有限公司，湖北武汉 430000）

核电站主蒸汽超级管道管嘴受力情况分析

赵福建邓赐邦

（武汉海王新能源工程技术有限公司，湖北武汉 430000）

随着我国能源的多元化战略的实施，核电能源逐渐受到国家的重视，并且随着科技的发展，逐渐展现了核电的巨大优势，而作为核电站的主蒸汽超级管道，需要对其重点进行管嘴的受力情况分析，根据管嘴的基本结构情况，分析管嘴纵向内角半径的受力影响，并根据科学分析的结果，得出一个最优的纵向内角半径，本文就以实际的超级管道管嘴工作状况进行受力分析，并以此分析结果，对管嘴的设计和制造提供指导。

核电站；主蒸汽管道；管嘴受力分析；情况分析

根据相关机构的数据分析，全球目前运行的核电机组数达到400多个，核电的发电量占全球总体电量的20%左右，随着核电发电成本比较低、发电量比较大、几乎不会产生环境污染等优势，全球的核电发电机组数量也在不断增加，由于其具有强大的发电优势，随着化石能源的逐渐枯竭，处于保护环境的考虑，我国也会逐渐降低火电的发电厂数量，逐步提高核电站的发电量，因此，会逐步增加和加大核电电力资源的开发力度。

1.目前我国核电站蒸汽超级管道应用现状

根据我国目前公布的核电应用数据，我国运行的吉瓦级核电阻几乎是改进型的反应堆，主要以M310机组改进为主，在主蒸汽超级管道是根据核电机组的类似构件而构件的管道部件，是从反应堆的安全壳外部贯穿进入，并在主蒸汽的横管线处，向管线的下游位置移动，由于超级管道的热工参数比较高、受力复杂、焊接缝隙比较多的特点，所以在整个运行中所受到的冲击力比较大，所要求的安全性能比较高，超级管道的管嘴设计不是都是由支管焊接方式进行的，除了秦山一期和大亚湾核电站外，但是这种支管焊接的方式也有诸多缺点，一是超级管道的管嘴部分金属材料不连续，在焊接后，由于应力集中，会产生不良反应，一是超级管道的管嘴部位，对焊接质量和接管的补强度有着较高的要求，需要进一步加强管道管嘴焊接工艺的改进。随着核电技术的逐渐成熟，我国在20世纪90年代后，采用最新挤压成型管嘴工艺，这样的焊接工艺相比以往的焊接工艺具有无法比拟的优势，因为这是一次成型的技术，所以，在超级管道的管嘴处，不需要再进行焊接，有效避免了焊接后带来的一系列焊缝问题，但是这种一次成型的管嘴工艺，工艺特点比较复杂，对于模具的精度和准确度要求比较高，这种核电机组的例子以CPR1000核电机组为主。

2.变电站的基本结构介绍

2.1超级管道介绍

核电站中的每个核电机组一般会有3～5个超级管道，根据超级管道的内部构成状况，可以将整个超级管道分为4个管段。一般每个超级管道的一个管段要设置大概4个左右的工艺管嘴，并且还有管嘴应力保护装置，以约束外力对管嘴的影响，可以称之为约束外力的横向限制件。

2.1.1超级管道设备的分级

根据超级管道安全性能可以分为以下几种：

第一种：安全等级：RCC-P2级；

第二种：规范等级：RCC-M2级；

第三种：质保等级：质保1级；

第四种：抗震类别：Ⅱ。

2.1.2超级管道的设计参数介绍

根据超级管道的设计分类，可以分为热工参数和环境参数两类。

热工参数值中超级管道的设计压力为：8.6MPa；超级管道的设计温度：316℃；超级管道的正常运行压力：6.71MPa～7.6MPa；超级管道的正常运行温度：283℃～291.4℃。

环境参数中的超级管道正常工况下温度：不大于40℃；超级管道正常工况下压力是：常压；超级管道的正常工况下相对湿度：0～100%。

2.2挤压管嘴

一般情况下，变电站的每根超级管道上都会有4类管嘴，分别主蒸汽安全阀管嘴7个、排气管嘴一个、旁路管嘴两个、疏水管嘴一个，管嘴数量一共有11个，另外，最新的超级管道管嘴多采用一次成型的技术，这是出于减少焊缝数量、保证超级管道安全运行的目的。在一般情况下管嘴的半径分为纵向外角半径、径向外角半径、管嘴内半径、纵向内角半径、径向内角半径等。在超级挤压管道管嘴的结构中，一般对于有的半径有严格的角度尺寸要求，比如，内弧半径和外弧半径，有的半径没有那么严格的要求，比如，内侧弧度、外表面弧度，根据以往变电站建设经验，一般来说，内、外径尺寸精度比较容易控制，但管嘴根部弧度较难控制，可能对应力分布造成影响。

3.超级管道管嘴承载力分析

对于超级管道的管嘴承载力分析，可以根据相关的分析软件，对于设计尺寸和相关标准中规定的5种工况进行计算，进而更好地分析管嘴部位的应力分布状况。

3.1工况分析

根据RCCC-M中对超级管道安全性能的计算包括5种，分别是设计工况、正常工况、异常工况、紧急工况和事故工况等，在各个状况的应力计算分析下，对于每种工况的最低限值进行规定，例如，在设计工况情形下，安全的限值应在O级规定，在正常工况下，安全的限值满足A级标准，异常工况下，安全的限值应在B级标准，在紧急工况下，安全的限值应在C级标准，而在事故工况下，安全的限值应满足D级标准。根据相关的标准应力值，其具体的限定值要求为：O级准则为σL+σB≤1.5∑m；A级准则为σL+σB+σ≤3σM；B级准则为σL+σB≤1.65σM；C级准则为σL+σL≤1.8σM；D级准则为σL+ σB≤3σM。

其中：σL为局部一次薄膜应力；σB为一次弯曲应力；σ为二次应力；σM为基本许用应力。另外，超级管道材料在不同的温度下，其基本的应力也有相应的规定，比如：设计工况（316℃）时σm=116.4MPa；异常工况（300℃）时σm=118.0MPa；紧急和事故工况（307℃）时σm=117.3MPa。

再根据参考设计工况后的数据值，可以根据正常工况温度与后两种的工况情况进行合并，从而达到严格要求设计工况值的目的。为了明白各个节点载荷影响因素，可以通过用静力平衡的方法，设定超级管道的三维坐标图，和力矩M的分布图，然后根据标准设定的需要，对载荷量进行组合，保证各个工况下的应力值都能达到相应的标准，在这些因素中，通常需考虑冷热管道自重、正常运行时的内压、基本运行地震、建筑物沉降、蠕变、安全阀排放反力和气候应力等因素。

3.2管嘴应力分类线的选取

根据变电站的超级管道管嘴设计运行标准，在遵循应力分类线选取的原则下，对超级管道的管嘴径向和轴向分别选取相应的分析数据，其中应力多集中于的主管轴部分，因此要多关注该部分的分类线，而在超级管道的径向位置，相应的应力就会小很多，不需要特别的关注，因此，要提高肩部位置的分类线关注度和要求，而轴向部位可以不进行相应的严格分类线要求。

4.超级管道管嘴应力情况分析结论

根据以上的分析过程，可以得出相应应力分析情况结论：首先是应当综合考虑各种工况下的载荷是否符合标准要求，根据工况的应力计算结果，在没有达到标准的最大值时，即可认定该设计是合格的。在工况的综合考虑中，还应考虑到管道运行期间的管道破坏、腐蚀状况，在长期的应力下，对标准值的影响，从而保证最低限定值的准确性。其次，明确应力最集中的位置。根据超级管道管嘴应力集中程度，可以推测应力集中的位置应当是管道轴向的管嘴根部，并不是所谓的超级管道径向的管根部分。最后，要减少应力的影响因素，由于应力最集中的地方是超级管道的轴向管嘴根部，因此，在设计和制造时，应当特别注意内外表面弧度对应力集中的影响，从而避免影响管道的整体强度，让过渡区的圆弧更具有连续性，对于应力集中的某些部分，可以根据该部分的材料力学特点进行组织和均匀性分析，避免因为应力超过一定值造成腐蚀而破裂。