管道瞬态泄压载荷的力学分析研究

摘要：压力管道瞬态泄压发生在事故工况，是核电站安全分析的重点和难点。理论上瞬态泄压载荷会对管道产生冲击，会导致管线振动变大，甚至造成管线损坏，本文对某核电项目泄压箱管线的计算单元建立管道系统模型，根据ASME[1]规范B31.1节计算出瞬态泄压载荷，经PIPESTRESS软件进行力学分析，得到瞬态泄压载荷对管线系统的应力比。通过合理布置管道和支架，能使管系在事故工况下，满足RCC-M[2]规范应力评定准则要求。

关键詞： 压力管道;瞬态;泄压;力学分析;事故工况

引言

核电厂管道力学分析中，通常对管道内流体瞬态变化产生的载荷通常没有考虑，根据流体瞬态变化的产生机理，当管道内流速瞬间变大、压力波突变严重时，该载荷对管道的冲击力很大，可能会产生较大应力并导致管线振动甚至损坏。因此瞬态泄压载荷属于偶然载荷，需要在事故工况进行考虑。本文通过实例模拟流体泄压瞬态下产生的载荷对管道的作用力，进而对管线采取适当的保护措施，确保了重要管线的完整性和安全性，并满足RCC-M规范要求。

泄压箱管线系统的实例分析

2.1管道系统模型

采用PIPESTRESS软件进行力学分析，该软件功能强大，作为专业的管道力学分析软件，操作简单，易于掌握，可以快速地进行管道应力分析。

该泄压箱管线系统中，管道系统由泄压箱、排放管线和爆破盘组成。泄压箱管线模型如图1 中所示。两根排放管线的布置一致，因此取其中一个管线进行模型简化分析。管道系统分析模型如图2 中所示。

设置管道支撑时，既要考虑足够的柔性以吸收管道热膨胀和收缩，也要考虑足够的刚性以承受动载荷的作用和配合土建的安装。应用软件的快速应力分析功能，计算出泄压箱管线系统在各种载荷作用下的应力值，以此来调整管道支撑的合理布置方案。根据自重内压、热膨胀、地震及瞬态载荷的结果调整支架或阻尼器的数量和位置。通过反复地验算和调试，合理布置泄压箱管线系统的管道支撑，以保证管道系统具有足够的柔性和刚性。

2.2力学分析

泄压箱管线系统在核电厂寿命期内所承受的载荷有：自重、热膨胀、内压、地震和瞬态泄压载荷。其力学分析方法[3]如下。

2.2.1 静力学分析

泄压箱管线系统所承受的静载荷有：自重、热膨胀以及内压。

自重

采用在竖直方向施加加速度的方法模拟自重载荷。

热膨胀与内压

对于核电厂的 4 类工况，分别定义不同管段的温度值和压力值。程序将根据管道热膨胀系数计算所产生的膨胀位移和膨胀应力，同时根据公式计算出由内压引起的管道应力。

2.2.2动力学响应分析

泄压箱管线系统所承受的动载荷有： 地震和瞬态泄压载荷。

1）地震

泄压箱管线系统在核岛厂房内，在支架约束处输入楼层的地震反应谱，来计算整个系统的地震响应。

2）瞬态泄压载荷

在ASME规范中对管道瞬态排放力的描述：管道内流体的快速流动会对排放管道产生一定的作用力，通过排放管道传至安全阀，并以力矩的形式通过管道作用在安全阀的设备或管道接口，以保证安全阀进出口管道及其他设备的安全。

管道瞬态作用力大小与安全阀的开启时间，流体压力及管道流通面积有关，则瞬态泄压对管段的作用力公式为

在对应工况下将泄压管线随时间变化产生瞬态泄压管段作用力施加在泄压点和弯头连接处。根据作用力公式，计算得到瞬态泄压载荷如图3所示。文中利用PIPESTRESS 软件的时程分析功能进行瞬态载荷计算。

3应力评定

根据RCC-M规范的要求，对管道在设计、正常、扰动、紧急和事故工况下分别进行应力组合[4]。泄压箱管线系统属于RCC-M核二级管道，使用C3600进行评定。管道应力分析结果见表1。

4 设备接管载荷评定

由于紧急和事故工况下施加了瞬态泄压载荷，该工况下设备接管载荷比其他工况要大许多，泄压箱管口处的接管载荷结果见表2。经过设备核算，泄压箱的接管载荷与限值的最大比为，满足要求。

5 结语

经过分析，泄压箱管线系统在承受自重、压力、热膨胀、地震、瞬态泄压载荷作用下，均满足RCC-M规范应力评定准则和设备接管载荷限值要求。整个分析过程采用了先进的分析工具，并对瞬态泄压载荷的计算进行了说明，为后续项目管道计算奠定了基础。

参考文献

[1] ASME B31.1-2010， Power Ping [S]， New York： ASME， 2009： 12

[2] RCC-M.压水堆核岛机械设备设计和建造规则（2007版）[S]

[3] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003.

[4] 艾红雷等.核电厂主管道事故工况载荷组合合理性研究[J].成都：核动力工程，2016.

徐中华（ 1982 -） ，男，工程师，主要从事核级管道设备力学分析工作