“华龙一号”双层安全壳贯穿件设计载荷计算方法研究

弓振邦，余顺利，彭星铭

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

HPR1000双层安全壳贯穿件是将安全壳内部与外部流体管道连接在一起的关键性部件，它属于反应堆安全壳的一部分。在各种工况下，它既要满足系统管道设计的要求，又必须确保安全壳的气密性和完整性。

由于机械贯穿件将贯穿管路与安全壳混凝土中预埋的套筒连接在一起，管道借助机械贯穿件与反应堆安全壳紧密地连接在一起，各种工况下管道所承受的载荷经机械贯穿件传递给安全壳，因此机械贯穿件又起着系统管道固定支架的作用。

1 贯穿件封头设计载荷的计算思路

HPR1000双层安全壳贯穿件封头载荷的计算方法参考了 M310核电厂贯穿件及 AP1000双层安全壳贯穿件的载荷计算方法。但由于M310电厂为单层安全壳，贯穿件布置方式与双层安全壳的贯穿件布置方式不同，AP1000核电厂主蒸汽及主给水管道不把贯穿件作为固定点，且 AP1000固定端为钢制安全壳，所以研究针对HPR1000贯穿件载荷的确定方法在参考M310及AP1000电厂的基础上，加入了新的计算方法。

1.1 计算原则及假设

贯穿件应力计算及载荷确定中遵循如下原则：

（1） 作用于封头的设计外部载荷不是真实的作用于封头的载荷，而是基于管道所能作用于封头两端的最大弯矩。

（2） 由管道传递的外部载荷作用点如图 1所示。

图1 管道传递的外部载荷作用点Fig.1 Point of action for external loads transmitted by pipeline

（3） 载荷同时作用在封头两侧，并考虑最不利的方向组合。

（4） 不考虑外侧安全壳与管道之间的柔性连接引起的载荷。

1.2 各工况下贯穿件封头承受的载荷类型

贯穿件计算中考虑了如下载荷：

（1）管道中流体的压力；

（2）安全壳内部的压力；

（3）管道传递的外部载荷。

2 管道传递的外部载荷

对于1.2节中提到的贯穿件外部载荷，管道内部压力及安全壳内部压力是设计中已经明确的载荷，且施加方式也不会存在异议。但管道传递的外部载荷就需要进行详细的分类计算，本节给出管道传递外部载荷的计算思想。

2.1 中能管道传递的外部载荷

当贯穿件连接管道为中能管道，即工作压力不超过2 MPa且工作温度不大于100 ℃的中能流体系统的管道，不考虑管道的断裂。正常与异常工况下应该保证管道处于完全弹性的状态，即作用于封头两端的弯矩、扭矩及力载荷如公式（1）所示[1]：

各工况下封头两端传递的管道外部设计载荷如表1所示。

表1 各工况下封头两端管道外部载荷Table 1 External load of pipes at both ends of the lower head under various working conditions

2.2 主蒸汽和主给水管道传递的外部载荷

2.2.1正常与异常工况下传递的外部载荷

正常与异常工况下，主蒸汽及主给水管到贯穿件载荷与其他高能管道贯穿件的载荷计算方法一致，见2.3节。

2.2.2事故工况下管道传递的外部载荷

主蒸汽管道和主给水管道均为高能管道，需考虑高能管道破裂的情况，即需考虑传递到贯穿件的破裂载荷。

（1）主给水系统管道传递的破裂载荷

以福清核电5、6号机组为例，主给水系统管道贯穿件在安全壳内测连接管道为TFM001、TFM002、TFM003，根据管道的应力计算结果，主给水管道 TFM001、TFM002、TFM003的破裂位置如图 2～图 4所示，且各个假想的破裂点均为环向破口。

图2 TFM001管道假想断裂位置（1～4）Fig.2 Hypothetical location 1 to 4 of TFM001 pipe break

（2）主蒸汽系统管道传递的破裂载荷

由于主蒸汽系统管道采用破前漏（Leak Before Break，LBB）技术，所以未进行相应管道的假想破裂位置分析，主蒸汽系统管道传递给贯穿件的破裂载荷方向和计算方法参照主给水系统的管道破裂载荷的方向和计算方法。对于安全壳内侧管道破裂，载荷组合方法这里采用与主给水管道相同的组合方法。对于安全壳外侧管道破裂，由于主蒸汽管道贯穿件在安全壳外侧连接的直管段上有两个横向限制件，这两个横向限制件能够限制管道剪力方向的位移以及弯矩和扭矩方向的转角，所以安全壳外侧连接管道如果破裂则只有轴力可以传递到贯穿件上。

图3 TFM002管道假想断裂位置（1～4）Fig.3 Hypothetical location 1 to 4 of TFM002 pipe break

图4 TFM003管道假想断裂位置（1～4）Fig.4 Hypothetical location 1 to 4 of TFM003 pipe break

通过对上面安全壳内外侧连接贯穿件管道假想破裂点喷放力方向的分析，可以确定出各个破裂点喷放力传递到贯穿件后的载荷方向，具体包括的载荷如表2所示。

表2 主给水管道各个破裂点传递的载荷方向Table 2 Load direction of each fracture point of the main water supply pipeline

2.3 其他高能管道传递的外部载荷

当贯穿件连接管道为高能管道，即工作压力大于2 MPa或者工作温度超过100 ℃，且维持该状态的时间超过总运行时间的 2%的高能流体系统的管道，要考虑“高能”管道破裂的情况，即需考虑传递到贯穿件的破裂载荷，破裂工况下考虑的载荷按公式（2）确定（此时管道整个截面都屈服且考虑应力强化效应）：

各工况下封头两端传递的管道外部设计载荷如表3所示。

表3 各工况下封头两端传递的管道外部设计载荷（考虑断裂）Table 3 External design load of the pipe transferred at both ends of the lower head under various working conditions（considering fracture）

3 结论

本文给出了“华龙一号”机械贯穿件在不同工况下设计载荷的确定方法。对于管道传递给贯穿件的接管载荷，分别针对中能管道、高能管道（除主蒸汽、主给水管道）以及主蒸汽和主给水管道三种情况给出了贯穿件接管载荷的计算方法。尤其对于主蒸汽管道与主给水管道贯穿件，根据管道详细破裂点位置进行了精细分析，给出了准确传递到贯穿件的破裂载荷，为贯穿件和安全壳的设计提供了计算依据，在确保设计安全性的同时也避免了该处贯穿件和安全壳承受过于保守的设计载荷，降低了主蒸汽和主给水管道贯穿件及安全壳的设计难度。