“华龙一号”核一级管道的疲劳分析

宁庆坤，陈 丽，王艳苹

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

疲劳作为一种非常重要的失效模式，在核电厂的安全运行中起着至关重要的作用，全球核电厂曾发生多起管道疲劳失效事件[1,2]。核一级管道作为核电厂管道系统中重要的组成部分，温度高、压力大，承受的电厂运行中的热瞬态复杂，一旦发生疲劳失效，引起管道破裂，容易造成严重后果，造成经济损失的同时也给核安全带来不利影响，所以需要充分考虑各种可能出现的瞬态工况进行疲劳分析，杜绝此类事件发生。对于“华龙一号”设计中的这一关键环节，有必要对疲劳分析进行深入的研究，同时解决工程中遇到的实际问题，例如管道破裂点的选取和管道焊点在役检查点的选取均需要疲劳计算结果。

1 管道疲劳分析重点

1.1 疲劳分析流程

核一级管道的疲劳分析需要根据管道布置情况、瞬态工况和地震工况，进行热棘轮和累计损伤使用系数的计算，使其满足规范要求，疲劳分析流程如图1所示。

图1 疲劳分析流程Fig.1 Process of the fatigue analysis

1.2 分析软件

核电厂中常用的管道计算软件是 SYSPIPE和 PIPESTRESS，M310采用 SYSPIPE进行疲劳计算，“华龙一号”采用 PIPESTRESS进行疲劳计算。SYSPIPE不能施加瞬态曲线，只能施加温度梯度，可以对具体的管道评定方程（10）、方程（11）和方程（13）分别施加。PIPESTRESS既能施加瞬态曲线，又能施加温度梯度，但是在施加温度梯度时不能区分具体的评定方程。采用 ANSYS进行实体模型的疲劳分析。

1.3 瞬态工况

在“华龙一号”的管道疲劳计算中，需要相关专业提供瞬态工况。相关专业提供的瞬态工况中部分是瞬态曲线，部分是温度梯度。

对于某一个系统，如果提供的瞬态工况全部是瞬态曲线，在PIPESTRESS中直接施加瞬态曲线。如果提供的瞬态工况既有瞬态曲线又有温度梯度，需要转换成统一的输入条件。而温度梯度转换成瞬态曲线无法实现，只能将瞬态曲线转换成温度梯度。要对管道进行详细的热分析，根据轴对称传热方程求得管道壁厚方向温度梯度。需要找到管道结构应力变化的几类关键区域，施加系统瞬态曲线，介质导热系数，扩散膨胀系数、初始状态、最终状态、变化时间、流速等热载荷参数。计算出应力关键区域（焊接位置、三通中心、过渡区域等）的沿着壁厚方向的温度梯度，然后施加到PIPESTRESS模型中相应的位置[3]。

对于RCC-M规范[4]，在计算时应区分机械载荷和热载荷弹塑性修正系数，减少计算结果的保守性，降低工程成本。

1.4 地震工况

在疲劳计算中，需要考虑地震载荷和瞬态工况的叠加，“华龙一号”SL-1地震考虑发生20次，每次有20次子循环。与ASME规范不同，RCC-M 规范认为地震工作在任何时候均可能发生。因此，需要在最不利的载荷组合里叠加上地震载荷，进行疲劳计算，如图2所示。

图2 RCC-M地震与热瞬态叠加方式Fig.2 Combination of earthquake and thermal transient in RCC-M

2 “华龙一号”管道疲劳计算

2.1 管道模型

根据管道的布置情况，考虑相应的边界条件，建立的管道模型如图3所示。

图3 管道模型图Fig.3 piping mode

图3 管道模型图（续）Fig.3 piping mode

2.2 施加瞬态曲线的疲劳计算

对“华龙一号”中的安全注入系统（RSI）核一级管道采用RCC-M规范进行疲劳分析，模型见图3（a）。计算中需要考虑的运行工况如表1所示。

表1 运行工况Table 1 Operating conditions

其中工况C、D、D′、E、F需要考虑温度瞬态，瞬态曲线如图4所示。

初步计算没有区分机械载荷和热载荷的弹塑性应力修正系数，计算得到的累积疲劳使用系数结果如图5所示。

图4 瞬态曲线Fig.4 Transient curve

图4 瞬态曲线（续）Fig.4 Transient curve

图5 累积疲劳使用系数（初步计算）Fig.5 Cumulative fatigue usage factor(first calculation)

可见三通处累积疲劳使用系数大于 1，不满足规范要求，且有焊点的累积疲劳使用系数大于0.4，需要进行射线检查。

再次计算时，区分机械载荷和热载荷的弹塑性应力修正系数，计算得到的累积疲劳使用系数结果如图6所示。

图6 累积疲劳使用系数（二次计算）Fig.6 Cumulative fatigue usage factor (second calculation)

经过计算，累积疲劳使用系数均小于 1，且焊点处的累积疲劳使用系数均小于0.4，免除了射线检查。

2.3 施加温度梯度的疲劳计算

对“华龙一号”中的化学容积系统（RCV）核一级管道采用RCC-M规范进行疲劳分析，模型如图3（b）所示。

相关专业提供的瞬态工况既有瞬态曲线又有温度梯度，将瞬态曲线转换成温度梯度进行管道疲劳计算。

以F工况温度瞬态为例，管道与环境长期自然对流散热直至热平衡，温度降至40 ℃，后期瞬时恢复取水，温度瞬间恢复到 293 ℃，流量为15.7 m3/h，瞬态曲线包含介质的初始状态、最终状态、变化时间、流速等，如图7所示。

图7 F工况瞬态曲线图Fig.7 Transient of condition F

进行热分析时，除考虑温度瞬态还需要考虑换热系数。热工计算输入除结构尺寸以外，主要为流体的流量和温度。与温度或压力瞬态一样，换热系数与结构尺寸、流体的流量和温度有关，是随时间变化（温度和流量都是时间的函数）。采用对关键温度和流量进行稳态计算得到换热系数，考虑一定的保守性进行加载。计算所采用的材料物理特性和流体特性如表2所示。

表2 计算参数Table 2 Calculation parameters

将计算得到的温度梯度和提供的温度梯度一同施加到PIPESTRESS模型中进行管道的疲劳计算。最终得到的累积损伤使用系数为1.037 5，不满足规范要求，需要对计算结果进行进一步优化。

3 疲劳结果优化

当管道疲劳结果不满足规范要求的时候，可以采用 RCC-M规范 ZE200中的混合分析方法进行处理。用 ANSYS建立详细的实体模型，模型见图8。施加导致最大疲劳使用因子的热边界约束条件，计算得到温度场施加在结构上，得到结构的更接近实际的应力结果。用 ANSYS得到应力值取代不连续区的应力。得到的峰值应力下降明显，最终的疲劳使用因子结果为 0.459 7，满足规范要求。

图8 模型图Fig.8 Model

4 结论

对于相关专业提供的温度工况全部是瞬态曲线的情况，可以直接施加瞬态曲线进行疲劳计算。对于相关专业提供的温度工况部分是温度梯度，部分是瞬态曲线的情况，需要对瞬态曲线进行单独的热应力分析，把所有工况参数统一为温度梯度才能进行后续的疲劳分析。在管道疲劳计算中，应将弹塑性修正系数区分为机械载荷部分和热载荷部分，降低保守性。

如果管道计算软件得到的结果不能满足规范要求，可以按照规范再进行详细的评定降低保守性。但后续处理的工作量巨大，并且对计算者提出更深层次的要求。

本文结合分析疲劳分析的重点和难点，以具体工程的管道疲劳分析为例，根据规范对疲劳分析过程进行了梳理。提出了分析中的难点，并给出详细解决方案。可为核电厂中核一级管道热瞬态分析及其疲劳分析提供方法和参考。