核電廠穩壓器下封頭電加熱元件安裝區開孔補強計算

魯佳　李煥鳴　鄧豐　李冬慧　胡彧　田雅婧

【摘 要】壓水堆核電廠穩壓器下封頭通常需要開70-90個布置較為密集的電加熱元件安裝孔。本文采用RCC-M和Н-ППУ-01兩種壓水堆核能設備強度計算標準對某核電工程穩壓器下封頭電加熱元件安裝區進行補強計算。經計算，采用兩種標準對下封頭電加熱元件安裝區域開孔補強計算均滿足相應標準要求。

【關鍵詞】穩壓器；開孔補強；多開孔；RCC-M

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0137-002

Nuclear power plant voltage regulator under the head of electric heating elements Installation area opening reinforcement calculation

LU Jia LI Huan-ming DENG Feng LI Dong-hui HU Yu TIAN Ya-jing

（Key Laboratory of Nuclear Reactor System Design Technology， Chengdu 610000， China）

【Abstract】The pressure head of PWR nuclear power plant usually needs to open 70-90 electric heating element mounting holes which are more densely arranged. In this paper， RCC-M and Н-ППУ-01 two kinds of pressurized water reactor nuclear equipment strength calculation standard of a nuclear power project under the header heating element mounting area reinforcement calculation. After calculation， two kinds of standards are used to meet the corresponding standard requirements for the reinforcement calculation of openings in the installation area of the lower header electric heating element.

【Key words】Regulator； Open hole reinforcement； More openings； RCC-M

0 引言

穩壓器是壓水堆核電廠反應堆冷卻劑系統的主要設備之一。功能是通過穩壓器內的噴霧頭和電加熱元件聯合配合來補償一回路冷卻水溫度變化引起回路水容積的變化或調節一回路冷卻劑的工作壓力，以防止一回路系統設備由于壓力過高而損壞或由于壓力過低造成堆內冷卻劑產生容積沸騰而引起燃料棒過熱燒毀的事故[1]。

穩壓器下封頭上垂直安裝著70～90根電加熱元件，安裝方式是電加熱元件套管垂直冷裝在下封頭的電加熱元件孔中，電加熱元件與電加熱元件套管焊接。因此，穩壓器下封頭通常需要垂直開70～90個貫穿孔，并且這些孔在下封頭較為密集布置。穩壓器作為核一級設備，各部分基本尺寸的初步確定基于可靠的強度計算。目前，國內核一級設備設計一般是基于壓水堆核島機械設備設計和建造規則[2]（RCC-M）和ASME[3]第III卷，而RCC-M和ASME第III卷標準對于核一級設備開孔補強計算基本相同。俄羅斯原子能部制定的壓水堆船用核蒸汽發生裝置管道和設備強度計算標準[4]（Н-ППУ-01）同樣可用于壓水堆核設備的補強計算。本文采用RCC-M、Н-ППУ-01標準對某核電工程穩壓器下封頭電加熱元件安裝區進行強度計算，研究它們關于電加熱元件區域的補強計算。

1 結構參數

設計壓力，p=17.13MPa

電加熱元件安裝孔直徑，d=32mm；

下封頭內徑，R=1195mm；

下封頭計算壁厚，δ=59mm；

下封頭名義壁厚，T=90mm；

附加余量，C=0mm；

設計溫度下材料許用應力值，[σ]=183MPa；

各電加熱元件安裝孔示意圖如圖1所示。

2 強度計算

2.1 按RCC-M標準計算

根據RCC-M B3332的規定，凸形封頭上開孔不需補強須同時滿足RCC-M B3332.1中的a）、b）、c）三個條件。對于該結構的電加熱元件安裝孔，距離最近的兩個孔之見的中心距為109.30mm，因此在直徑為2.5（820mm）內，開孔個數多于2，并且不滿足開孔直徑之和不超過0.25（82mm）。因此，下封頭電加熱元件安裝區域的開孔至少不滿足RCC-M B3332.1 a）的要求，需要進行補強計算。以下分別按照單個開孔和多個開孔的補強計算：

2.1.1 單個開孔進行開孔補強計算

開孔所需要的補強總面積，Ar=dδF；

沿下封頭表面的補強圓柱半徑界限，LA=max（d，+T+tn）；

2/3補強面積應位于補強圓柱半徑極限，

LA，2/3=max（+0.5，++）；

實際補強面積，A=2（LA-）（T-δ）；

其中，F為補強修正系數，按RCC-M要求，此處F=1；tn為接管名義壁厚，此結構中為0。

經計算，Ar=1888mm2，LA=106mm，LA，2/3=180mm，A=5580mm2。計算結果表面，Ar

2.1.2 多個開孔進行補強計算

RCC-M ZA400 f）要求一個開孔補強面積不能作為另一個開孔的補強面積。由電加熱元件安裝孔在下封頭上分布情況（即各開孔之間的間距，見圖1）可知，相鄰開孔最小間距dN=109.3mm。而單個開孔補強計算的補強圓柱半徑界限LA=106mm，顯然2LA=212mm>dN，所以相鄰開孔的補強限制均互相重疊。因此，考慮相鄰開孔所需的最小補強邊界。

最小補強邊界通過開孔所需的最小補強面積來確定，即，最小補強邊界，

L=+

經計算，L=46.5mm，顯然2L=93mm

2.2 按Н-ППУ-01標準計算

根據Н-ППУ-01 4.3節規定，對于中間表面上該孔的邊緣和最鄰近孔的邊緣的距離大于LB=2的開孔認定為單個開孔。對于該結構的電加熱元件安裝孔，LB=945mm，距離最近的兩個孔之見的中心距為109.30mm，小于單個開孔限值，因此，該孔為非單個開孔，需進行多孔聯合補強計算。以下分別按照單個開孔和多個開孔的補強計算。

2.2.1 單個開孔是殼體強度降低

根據Н-ППУ-01 4.3.1.4節規定，封頭上單個未補強孔的最大允許直徑，

d0=-1.75；

殼體強度降低的系數，φd=；

其中，φ0=·，m=4，m=1。經計算φ0=0.645，d0=638.5mm，φd=1.100（按規范取1）。因d=32mm遠小于d0，單個開孔補強計算滿足規范要求。

2.2.2 多個開孔的殼體強度降低

根據Н-ППУ-01 4.3.2.3節規定，不考慮殼體厚度加厚作補強時，殼體上任何方向上多開孔的強度降低系數，

φd=

其中L為孔間距。取相鄰開孔最小間距dN=109.3mm，即L=dN=109.3mm，φd=0.707，φd<1，說明需考慮殼體厚度加厚作補強。由4.3.1.6節可知，孔周圍殼體的加固應當在確定加固面積時作堆焊層考慮，加固面積

An=2

其中加固厚度Sn=S-δ=31mm，An=17191mm2。此時由4.3.2.13計算得到補強后強度降低系數

φ=+φ

經計算φ=1.2365，即φ>1，多個開孔補強計算滿足規范要求。

3 總結

本文采用RCC-M和Н-ППУ-01兩種壓水堆核能設備設計強度計算標準對某壓水堆核電工程穩壓器下封頭電加熱元件安裝區進行補強計算。RCC-M標準基于等面積補強法利用下封頭厚壁對開孔區域進行補強計算，Н-ППУ-01標準基于開孔殼體強度降低系數計算對開孔區域補強計算。經計算，采用兩種標準對下封頭電加熱元件安裝區域開孔補強計算均滿足相應標準要求。

【參考文獻】

[1]聶春福.壓水堆蒸汽式穩壓器[J].核動力工程，1987，8（3）：24-34.

[2]壓水堆核島機械設備設計和建造規則（RCC-M）[S].2007版.

[3]鍋爐及壓力容器規范第III卷核動力裝置設備（ASME）[S].2004版.

[4]管道和設備元件強度標準（Н-ППУ-01）[S].2002版.