蒸汽發生器管板孔橋超差情況下的結構安全性分析

李海龍，王 慶，徐 宇，熊冬慶，王 臣，張 躍

(環境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082)

壓水堆蒸汽發生器(SG)的基本功能是將單相反應堆冷卻劑的熱量通過U型傳熱管，傳遞到SG二次側沸騰態的汽水混合物中。SG的汽水分離器和干燥器從沸騰態混合物中分離出干飽和蒸汽，將其輸送到汽輪機。SG傳熱管傳遞熱量并將放射性污染保留在一回路系統中。

本案例的傳熱管堵管和常規的傳熱管堵管背景不同。常見的傳熱管堵管是由于制造完成后通過渦流檢查和超聲探傷發現傳熱管的缺陷或在役運行階段傳熱管的降級。本案例中堵管是SG制造過程中管板孔橋超差造成的，是較少見的案例。垂直度出現超差的管孔和傳熱管安全性至關重要，有必要進行管孔和傳熱管的安全性審查。另一方面，由于管板二次側孔橋超差，應分析評估管板的結構完整性是否滿足設計要求。

SG是核電廠非常重要的大型設備之一，制造周期長，工藝復雜，造價昂貴。管板孔橋超差的傳熱管堵管處理，縮短了SG的制造周期，降低了SG的制造成本。傳熱管管板孔橋超差情況下的結構安全性分析是SG安全運行的重要保障，是核電廠安全運行的基礎。本工作擬對該不符合項進行處理，找到合理可行的解決方案。

1 不符合項簡介

某壓水堆核電廠的SG，在實施管板深孔鉆加工時，由于導套密封環的損壞，導致3個位于管板冷段邊緣處的管孔鉆偏，從而造成管板二次側的6個孔橋超過了設計要求值的下限，一次側孔橋滿足設計要求，具體位置如圖1所示。

圖1所示超差，造成的影響包括管板和傳熱管的結構完整性。該SG制造廠提出了對管板3個超差孔(C165-R59、C167-R59和C168-R58)中的傳熱管進行堵管操作、管板照用的建議。

傳熱管堵管是被廣泛接受和認可的工藝。在SG出廠前及在役階段，傳熱管抽檢是SG安全檢查的重點項目之一。對于檢查不能滿足設計要求的傳熱管進行堵管操作。本SG出廠前允許不超過5根傳熱管堵管。運行階段，按照慣例，一般允許對10%的傳熱管進行堵管操作。然而過多的傳熱管堵管影響SG的傳熱效率，甚至影響核電廠的經濟效率。

2 管板制造超差的結構安全分析

SG的下封頭、管板和傳熱管是反應堆冷卻劑系統壓力邊界的一部分，因此必須保持其結構完整性。根據設備規范書要求，該SG設計應滿足ASME規范第Ⅲ卷NB分卷[1]的要求。

SG的應力、疲勞和斷裂分析及評定在其加工制造前均已完成。針對SG二次側孔橋超過設計值的情況，本文重點介紹傳熱管管板孔橋超差情況下的結構安全性分析。分別從管板的結構完整性、管孔超差不符合項對流致振動的影響、堵管后的傳熱管應力、傳熱管堵管后對孔橋強度的影響、孔橋超差導致的傳熱管接觸磨損等方面進行了結構安全性分析，期望能對后續的核設備安全審查和設備制造單位提供建設性的意見。

2.1 管板結構完整性分析

該SG管孔有上萬個，發生超差的管孔3個，受影響的孔橋僅6處，因此對于發生超差的管板，可應用ASME BPVC第Ⅲ卷第1冊附錄[2]A-8143推薦的方法進行分析，即仍按正常的管板進行應力、疲勞和斷裂分析，但需對發生超差孔橋增加如下內容的分析評定：

1) 孔帶平均應力強度限值為3Sm；

2) 窄孔帶中的峰值應力強度應通過考慮累積損傷加以限制，該峰值應力強度的計算可用名義厚度孔帶的峰值應力強度乘以文獻[2]中圖A-8143.2-l給出的Km值。

傳熱管堵管后無一次側流體流動。管板孔橋的溫度始終僅受流經被堵管周圍傳熱管中的一次側流體控制。3根傳熱管堵管與不堵管，對于管板溫度場分布是相同的。未發生超差的SG管板的強度分析模型如圖2所示。

圖2 SG管板有限元模型

根據ASME Ⅲ NB表NB3217-1，不符合項超差孔橋處的應力是二次應力或峰值應力，3個超差孔不影響管板一次應力。根據強度分析結果，應用ASME BPVC附錄A-8143條款修正，得到窄孔帶的峰值應力強度，并在此基礎上完成疲勞評定。一次加二次應力評定和疲勞分析只考慮正常和異常工況的瞬態，其他工況不受該不符合項的影響。管板典型位置的評價結果列于表1。

表1 管板典型位置的評價結果

分析結果滿足ASME BPVC附錄A-8143的要求；管板結構完整性分析滿足ASME規范要求。

2.2 管板孔橋超差不符合項對流致振動分析的影響

SG二次側流場采用ATHOS軟件包計算。考慮到SG管束區幾何結構的復雜性，ATHOS軟件在實際處理時基于多孔介質概念[3]，以“分布阻力”的方式考慮傳熱管等固體對流場的影響，即將孔隙率、阻力系數等參數引入控制方程，以考慮固體對流體的影響。

二次側孔隙率和阻力系數與傳熱管的布置方式(包括管徑、節距等)有關，程序計算時輸入整體傳熱管的布置方式和特征值，不考慮局部真實幾何特征。而對于多孔介質模型，每個計算網格內包含數根傳熱管，同樣不考慮局部真實幾何特征。目前，該方法已被大量工程實踐經驗證明有效，ATHOS軟件也得到了實堆運行參數的驗證。

管板孔橋超差傳熱管堵管屬于局部變化。計算輸入的孔隙率和阻力系數不會因局部的微小變動而發生改變。基于多孔介質模型，每個計算網格內包含數根傳熱管，因此計算得到的平均流場不會因管板孔橋超差而發生變化。

綜上所述，管板孔橋超差則傳熱管堵管，傳熱管流致振動的設計輸入二次側流場分布與原設計相同。

傳熱管流致振動分析評估時基于平均流場，并結合管徑、節距等參數計算得到最大管間流速進行評估，合理且保守。采用SG流致振動專用程序計算得到各典型位置傳熱管直段熱端、直段冷端及彎管段的流彈性穩定比。

受管板制造超差影響的傳熱管包括Row57～Row59。傳熱管由4組抗振條支撐，彎段半徑最大的傳熱管為Row63。從流致振動角度看，Row63傳熱管的無支撐跨距大于Row57～Row59傳熱管的，對Row63傳熱管的流致振動分析結果可包絡Row57～Row59傳熱管。假定管孔超差發生在Row63傳熱管，則計算Row63傳熱管的最大流彈性穩定比FSR為0.20，考慮設計允許的制造公差，最大FSR=0.20×1.06=0.21。

SG的傳熱管外徑為D，設計間距為P，理論管間流流速U與來流速度U0間存在如下關系：

U=U0P/(P-D)=3.36U0

(1)

管板制造超差后，傳熱管間最小間距變為P′-D，此時受管板制造超差影響的局部管間流速U′可表示為：

U′=U0P′/(P′-D)=10.20U0

(2)

管板制造超差發生后，與原設計相比，局部管間流速最大變為原設計的U′/U=3.04倍。事實上，管間流速受管板制造超差影響的區域僅限于管板與第1塊支承板之間，且該區域流速影響也隨管板距離的增加而減小。保守而言，分析評估時假設Row63傳熱管橫向流速均變為原設計的3.04倍。

流彈性穩定比FSR及相關有效流速Uen、臨界流速Uc可按下式計算：

FSR=Uen/Uc

(3)

(4)

(5)

式中：β為流體彈性穩定常數；fn為第n階固有頻率；δn為第n階對數衰減率；ρj為節點j處二次側流體密度；ρ0為二次側流體參考密度；Uj為節點j處橫向流速度；φjn為第n階固有頻率下節點j處的模態位移；Δzj為節點j所屬的兩相鄰單元長度之和的1/2；mj為節點j處結構單位長度的實際質量；m0為結構單位長度的參考質量。

考慮式(4)、(5)和管板制造超差，臨界流速保持不變，有效流速為原設計的3.04倍，故Row63傳熱管的流彈性穩定比FSR=3.04×0.21=0.64。仍小于SG設計規格書及ASME BPVC-Ⅲ-1-附錄N的限值。因此該不符合項仍滿足規格書及ASME規范對流致振動的要求。

2.3 堵管后的傳熱管應力分析

標準的SG傳熱管分析表明，傳熱管在一次側和二次側設計瞬態下滿足疲勞評定要求。被堵的3根傳熱管，管內是空氣，堵管后不受一次側設計瞬態的影響，僅受二次側設計瞬態的影響，且傳熱管管壁也極薄，因此不影響對疲勞分析的評定結果。

由于采用堵管方案，傳熱管內部不承受一次側壓力，傳熱管僅受到外側二次側壓力載荷。因此載荷工況包括二次側壓力載荷和設計機械載荷。對設計工況、運行工況和試驗工況進行了分析和評價。未堵管與堵管的應力比較列于表2。

表2 未堵管與堵管應力結果

一次側的設計壓力為17.24 MPa、二次側的設計壓力為8.27 MPa。未堵管的傳熱管受到的壓差為8.97 MPa，堵管后傳熱管受到的壓力為二次側壓力，壓力值略變小，加之傳熱管堵管，剛度增大。堵管后的應力值變小是合理的。計算結果表明，受影響的傳熱管能滿足規范要求。

2.4 傳熱管堵管的壓差對孔橋強度的影響

圖3 考慮超差的堵3根傳熱管的孔橋有限元模型

由于堵管后，被堵的傳熱管和未堵的傳熱管的孔橋間存在壓差。為考慮壓差對孔橋的影響，對最小孔橋堵管、未堵管的情況進行了有限元分析。模型中考慮了實際的孔橋超差。考慮孔橋超差，堵管后的孔橋應力分析有限元模型如圖3所示。同時也進行了無超差發生即正常孔橋的孔橋強度分析，這3種情況的應力結果列于表3。

表3 未堵管與堵管考慮孔橋超差的應力結果

通過比較發現，對于孔橋超差，堵管后孔橋處的應力強度變小，表明堵管起到了局部補強的作用。傳熱管堵管的壓差對孔橋強度不會產生不利影響。

2.5 孔橋超差導致的傳熱管接觸磨損問題

對于目前的孔橋超差情況，在役運行期間超差孔傳熱管與周圍的傳熱管之間是否會發生接觸磨損是需要關注的另一個問題。

對于安裝在3個有超差的管板深孔的傳熱管，針對傳熱管之間的間隙，計算了實際管板孔位置對傳熱管的影響。實際的管板孔位置，能保證傳熱管的穿管和脹管工藝順利進行。考慮垂直作用于傳熱管的均一載荷，計算了傳熱管的撓度。通過計算證明3個有超差的傳熱管和相鄰的傳熱管之間不會發生接觸。

3 結論

對于SG傳熱管管板孔橋超差的不符合項，從以上幾個方面進行了詳細的結構安全性分析。孔橋超差發生后，對發生超差的3根傳熱管進行堵管處理，堵管處理后的傳熱管和傳熱管管板滿足SG技術規格書的強度、位移、流彈性穩定比等方面的限值要求。另外，從傳熱管的脹管、穿管和無損檢測等方面也進行了詳細的審查。在役階段，需加強被堵管的相鄰傳熱管的跟蹤檢查，確保SG的質量和安全運行。

在該不符合項的審評過程中，得到了上海核工程設計研究院張鍇、張可豐、梁星筠和祖洪彪等專家的大力支持，在此表示衷心的感謝。

參考文獻：

[1] 美國機械工程師協會. ASME BPVC-Ⅲ 核設施部件建造規則:第1冊附錄[S]. 上海：上海科學技術文獻出版社，2004.

[2] 美國機械工程師協會. ASME BPVC-Ⅲ 核設施部件建造規則:第1冊NB分卷[S]. 上海：上海科學技術文獻出版社，2004.

[3] SCOTT D A. Heat exchanger design and theory source book[M]. Washington D.C.: Scripta Book Co., 1976.