AP1000化學和容積控制系統管道應力分析

曲曉宇 張磊（中國核電工程有限公司鄭州分公司鄭州450052）

一、前言

AP1000是美國西屋公司設計的第三代先進壓水堆，采用非能動設計理念，具有設計優化、設備減少、模塊化建造等特點。其中，化學和容積控制系統（CVS）是反應堆冷卻劑系統的一個主要的輔助系統，為反應堆冷卻劑系統的水容積控制、化學控制和反應性控制提供了手段。本文采用從瑞士DST公司引進的PEPS 4.0b（Pipestress 3.7.0）管道計算程序，此程序在西屋設計的AP1000項目中廣泛應用，其有效性已經得到了國家核安全局的認可。

管道分析的重點是整個管系的應力和柔性，在彎頭、三通等幾何不連續處不進行局部的詳細分析，而是采用應力指數和應力增強系數的方法處理。基于其可能的失效模式的認識，ASME規范對管道中的各種應力和工況進行了分類，然后通過采用不同的限制條件加以控制，從而形成了ASME規范的管道應力評定的公式。在公式中，對管道應力的校核只考慮了軸向應力，它包括了內壓軸向應力和合力矩應力。

二、模型和載荷

所選取的管道模型如圖2.1所示，本文中計算的管道均在反應堆廠房內，模型中有4個閥門和4個支架，其中有一個支架生根于鋼制安全殼上，模型中有一個穿鋼制安全殼的貫穿件。本報告中管系使用的材料為ASME SA-312.TP304L，在該計算管系中，管道模型的具體參數見表2.1。

表2.1 管道參數列表

ASME規范規定，整個管道系統的設計，應將熱膨脹、重量和其他持續載荷以及偶然載荷對固定件之間的管道影響進行分析。管道系統的設計應滿足NC-3650和B31.1規范中1.4.8節的限制。AP1000管道系統可能承受的載荷主要有：自重、內壓、熱膨脹、地震等。根據AP1000的技術規定，最大運行溫度≤65.56℃，不用進行熱分析。此管系的最大運行溫度均為21℃，不進行熱膨脹分析。因模型中有一個支架和一個貫穿件在鋼制安全殼上，而其余支架在安全殼內部結構上，在計算中使用各自的樓層反應譜，如圖2.2所示。左側為安全殼內部結構所用反應譜，右側為鋼制安全殼所用反應譜，所用的反應譜譜值包絡了所有連接到建筑物、模塊或設備等的支撐點。

因管系模型同時在鋼制安全殼和安全殼內部結構上都有生根，牽涉到跨廠房問題，也需考慮廠房間的相對位移。AP1000管道計算的通常做法，是在每個支撐點處施加對應方向上的絕對位移。計算中在對生根在鋼制安全殼上的支撐點，在X、Y、Z三個方向上施加的位移分別為2.616mm、4.420mm和0.406mm；對生根在安全殼內部結構上的支撐點，在X、Y、Z三個方向上施加的位移分別為2.362mm、4.318mm和0.660mm。

圖2.1 管道模型圖

圖2.2 安全停堆地震樓層反應譜

圖4.1 管道計算模型和所需增加支架的位置

對于在鋼制安全殼上生根的支撐點，還需要考慮正常工況和事故工況下安全殼錨固點位移。正常工況下需考慮正常寒冷和正常炎熱條件下鋼制安全殼熱膨脹相關的鋼制安全殼位移作用，事故工況下需考慮由于冷卻劑喪失即LOCA事故工況后的溫度和內壓作用在鋼安全殼貫穿件及連接到鋼安全殼的所有支撐上產生的位移。對本計算管系，根據AP1000的相關技術文件，正常工況下的位移為零，事故工況下在X、Y、Z三個方向上施加的位移分別為31.103mm、5.423mm和4.115mm。

管道分析中需要考慮的載荷以及工況組合分別見表2-2。

表2-2分析工況和定義

SSES-SCV-Z工況號10 40 41標識DW SSE SSES-SCV-X SSES-CIS-X 141 SSES-SCV-Y SSES-CIS-Y 241 42 142 242 342 343 344 345 347 SSES-CIS-Z|DW|+|SRSS(SSE+SSES)|SSES 2*SSES SRSS(SSE+SSES)SCV-F載荷說明自重（包含設計壓力）SSE地震SSE下X方向的錨固點位移（SCV）SSE下Y方向的錨固點位移（SCV）SSE下Z方向的錨固點位移（SCV）SSE下X方向的錨固點位移（CIS）SSE下Y方向的錨固點位移（CIS）SSE下Z方向的錨固點位移（CIS）自重+總地震效應總SSES，不同方向采用SRSS組合2倍SSE地震錨固點位移(SSE2+SSES2)1/2在事故工況下安全殼錨固點位移

三、計算

表3-1給出了各載荷工況要滿足的ASME準則和相應的許用應力極限：

表3 -1 ASME2、3級管道載荷組合和應力限值

注：

1.Sh、Sy和SA為在ASME規范中定義。

2.各符號含義如下：

MDW：由自重產生的力矩；

MC：ASME中A/B級熱脹產生的力矩范圍，包括正常工況下冬天和夏天的鋼安全殼位移；

MD：D級工況的力矩；

MSSES：D級工況下SSES產生的力矩范圍的1/2；

F：SSES下軸向力范圍的1/2；

P：設計壓力；

PMAX：指定應力水平下的最大壓力；

SSES：總的SSE下地震固定點位移，各個方向采用SRSS組合；

SRSS：D級工況下SSE和SSES的SRSS組合；

四、結果評定

計算結果表明地震載荷過大，故需在管道上增加一限Z向的支架，支架的位置如圖4.1所示。

此分析包括了上節中描述的方程的驗證。在上節中定義的所有載荷組合下的管道應力應該滿足ASME NC-3600的規范要求。一次和二次應力載荷組合的最大應力值列于表4-1中。

表4 -1 ASME 2、3級管道應力評定

計算表明所有節點的應力比都低于節點190，此點的最大應力比值為0.962，說明管道在各工況下的應力值滿足ASME規范的要求。

5.結論

對核電站管道系統進行應力分析與評定是一項重要的工作，在使用管道專業有限元軟件進行計算分析后，在原有設計的基礎之上進行應力分析和支架調整使管道應力滿足ASME規范的要求，協助布置人員的管道設計工作。計算表明，修改后管系模型的所有節點應力均滿足ASME規范的要求，ASME規范要求的各個工況下的機械特性的完好性得到了證明。

[1]ASME規范1989年版+1989版補遺.

[2]PEPS使用手冊.

[3]1992版ASMEIID篇.