核電站主蒸汽超級管道管嘴受力情況分析

趙福建 鄧賜邦

（武漢海王新能源工程技術有限公司，湖北 武漢 430000）

核電站主蒸汽超級管道管嘴受力情況分析

趙福建 鄧賜邦

（武漢海王新能源工程技術有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著我國能源的多元化戰略的實施，核電能源逐漸受到國家的重視，并且隨著科技的發展，逐漸展現了核電的巨大優勢，而作為核電站的主蒸汽超級管道，需要對其重點進行管嘴的受力情況分析，根據管嘴的基本結構情況，分析管嘴縱向內角半徑的受力影響，并根據科學分析的結果，得出一個最優的縱向內角半徑，本文就以實際的超級管道管嘴工作狀況進行受力分析，并以此分析結果，對管嘴的設計和制造提供指導。

核電站；主蒸汽管道；管嘴受力分析；情況分析

根據相關機構的數據分析，全球目前運行的核電機組數達到400多個，核電的發電量占全球總體電量的20%左右，隨著核電發電成本比較低、發電量比較大、幾乎不會產生環境污染等優勢，全球的核電發電機組數量也在不斷增加，由于其具有強大的發電優勢，隨著化石能源的逐漸枯竭，處于保護環境的考慮，我國也會逐漸降低火電的發電廠數量，逐步提高核電站的發電量，因此，會逐步增加和加大核電電力資源的開發力度。

1.目前我國核電站蒸汽超級管道應用現狀

根據我國目前公布的核電應用數據，我國運行的吉瓦級核電阻幾乎是改進型的反應堆，主要以M310機組改進為主，在主蒸汽超級管道是根據核電機組的類似構件而構件的管道部件，是從反應堆的安全殼外部貫穿進入，并在主蒸汽的橫管線處，向管線的下游位置移動，由于超級管道的熱工參數比較高、受力復雜、焊接縫隙比較多的特點，所以在整個運行中所受到的沖擊力比較大，所要求的安全性能比較高，超級管道的管嘴設計不是都是由支管焊接方式進行的，除了秦山一期和大亞灣核電站外，但是這種支管焊接的方式也有諸多缺點，一是超級管道的管嘴部分金屬材料不連續，在焊接后，由于應力集中，會產生不良反應，一是超級管道的管嘴部位，對焊接質量和接管的補強度有著較高的要求，需要進一步加強管道管嘴焊接工藝的改進。隨著核電技術的逐漸成熟，我國在20世紀90年代后，采用最新擠壓成型管嘴工藝，這樣的焊接工藝相比以往的焊接工藝具有無法比擬的優勢，因為這是一次成型的技術，所以，在超級管道的管嘴處，不需要再進行焊接，有效避免了焊接后帶來的一系列焊縫問題，但是這種一次成型的管嘴工藝，工藝特點比較復雜，對于模具的精度和準確度要求比較高，這種核電機組的例子以CPR1000核電機組為主。

2.變電站的基本結構介紹

2.1超級管道介紹

核電站中的每個核電機組一般會有3～5個超級管道，根據超級管道的內部構成狀況，可以將整個超級管道分為4個管段。一般每個超級管道的一個管段要設置大概4個左右的工藝管嘴，并且還有管嘴應力保護裝置，以約束外力對管嘴的影響，可以稱之為約束外力的橫向限制件。

2.1.1超級管道設備的分級

根據超級管道安全性能可以分為以下幾種：

第一種：安全等級：RCC-P2級；

第二種：規范等級：RCC-M2級；

第三種：質保等級：質保1級；

第四種：抗震類別：Ⅱ。

2.1.2超級管道的設計參數介紹

根據超級管道的設計分類，可以分為熱工參數和環境參數兩類。

熱工參數值中超級管道的設計壓力為：8.6MPa；超級管道的設計溫度：316℃；超級管道的正常運行壓力：6.71MPa～7.6MPa；超級管道的正常運行溫度：283℃～291.4℃。

環境參數中的超級管道正常工況下溫度：不大于40℃；超級管道正常工況下壓力是：常壓；超級管道的正常工況下相對濕度：0～100%。

2.2擠壓管嘴

一般情況下，變電站的每根超級管道上都會有4類管嘴，分別主蒸汽安全閥管嘴7個、排氣管嘴一個、旁路管嘴兩個、疏水管嘴一個，管嘴數量一共有11個，另外，最新的超級管道管嘴多采用一次成型的技術，這是出于減少焊縫數量、保證超級管道安全運行的目的。在一般情況下管嘴的半徑分為縱向外角半徑、徑向外角半徑、管嘴內半徑、縱向內角半徑、徑向內角半徑等。在超級擠壓管道管嘴的結構中，一般對于有的半徑有嚴格的角度尺寸要求，比如，內弧半徑和外弧半徑，有的半徑沒有那么嚴格的要求，比如，內側弧度、外表面弧度，根據以往變電站建設經驗，一般來說，內、外徑尺寸精度比較容易控制，但管嘴根部弧度較難控制，可能對應力分布造成影響。

3.超級管道管嘴承載力分析

對于超級管道的管嘴承載力分析，可以根據相關的分析軟件，對于設計尺寸和相關標準中規定的5種工況進行計算，進而更好地分析管嘴部位的應力分布狀況。

3.1工況分析

根據RCCC-M中對超級管道安全性能的計算包括5種，分別是設計工況、正常工況、異常工況、緊急工況和事故工況等，在各個狀況的應力計算分析下，對于每種工況的最低限值進行規定，例如，在設計工況情形下，安全的限值應在O級規定，在正常工況下，安全的限值滿足A級標準，異常工況下，安全的限值應在B級標準，在緊急工況下，安全的限值應在C級標準，而在事故工況下，安全的限值應滿足D級標準。根據相關的標準應力值，其具體的限定值要求為：O級準則為σL+σB≤1.5∑m；A級準則為σL+σB+σ≤3σM；B級準則為σL+σB≤1.65σM；C級準則為σL+σL≤1.8σM；D級準則為σL+ σB≤3σM。

其中：σL為局部一次薄膜應力；σB為一次彎曲應力；σ為二次應力；σM為基本許用應力。另外，超級管道材料在不同的溫度下，其基本的應力也有相應的規定，比如：設計工況（316℃）時σm=116.4MPa；異常工況（300℃）時σm=118.0MPa；緊急和事故工況（307℃）時σm=117.3MPa。

再根據參考設計工況后的數據值，可以根據正常工況溫度與后兩種的工況情況進行合并，從而達到嚴格要求設計工況值的目的。為了明白各個節點載荷影響因素，可以通過用靜力平衡的方法，設定超級管道的三維坐標圖，和力矩M的分布圖，然后根據標準設定的需要，對載荷量進行組合，保證各個工況下的應力值都能達到相應的標準，在這些因素中，通常需考慮冷熱管道自重、正常運行時的內壓、基本運行地震、建筑物沉降、蠕變、安全閥排放反力和氣候應力等因素。

3.2管嘴應力分類線的選取

根據變電站的超級管道管嘴設計運行標準，在遵循應力分類線選取的原則下，對超級管道的管嘴徑向和軸向分別選取相應的分析數據，其中應力多集中于的主管軸部分，因此要多關注該部分的分類線，而在超級管道的徑向位置，相應的應力就會小很多，不需要特別的關注，因此，要提高肩部位置的分類線關注度和要求，而軸向部位可以不進行相應的嚴格分類線要求。

4.超級管道管嘴應力情況分析結論

根據以上的分析過程，可以得出相應應力分析情況結論：首先是應當綜合考慮各種工況下的載荷是否符合標準要求，根據工況的應力計算結果，在沒有達到標準的最大值時，即可認定該設計是合格的。在工況的綜合考慮中，還應考慮到管道運行期間的管道破壞、腐蝕狀況，在長期的應力下，對標準值的影響，從而保證最低限定值的準確性。其次，明確應力最集中的位置。根據超級管道管嘴應力集中程度，可以推測應力集中的位置應當是管道軸向的管嘴根部，并不是所謂的超級管道徑向的管根部分。最后，要減少應力的影響因素，由于應力最集中的地方是超級管道的軸向管嘴根部，因此，在設計和制造時，應當特別注意內外表面弧度對應力集中的影響，從而避免影響管道的整體強度，讓過渡區的圓弧更具有連續性，對于應力集中的某些部分，可以根據該部分的材料力學特點進行組織和均勻性分析，避免因為應力超過一定值造成腐蝕而破裂。

結語

核電站主蒸汽超級管道的管嘴受力分析，是根據最新的超級管道技術進行分析，將相關的管道管嘴應力影響因素進行詳細地分析，針對不同的影響因素及工況的要求，將產生應力影響因素消除到最低，從而達到法定的超級管道管嘴應力標準，保證核電站主蒸汽超級管道運行的安全性。

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