管道瞬態泄壓載荷的力學分析研究

摘要：壓力管道瞬態泄壓發生在事故工況，是核電站安全分析的重點和難點。理論上瞬態泄壓載荷會對管道產生沖擊，會導致管線振動變大，甚至造成管線損壞，本文對某核電項目泄壓箱管線的計算單元建立管道系統模型，根據ASME[1]規范B31.1節計算出瞬態泄壓載荷，經PIPESTRESS軟件進行力學分析，得到瞬態泄壓載荷對管線系統的應力比。通過合理布置管道和支架，能使管系在事故工況下，滿足RCC-M[2]規范應力評定準則要求。

關鍵詞：?壓力管道;瞬態;泄壓;力學分析;事故工況

引言

核電廠管道力學分析中，通常對管道內流體瞬態變化產生的載荷通常沒有考慮，根據流體瞬態變化的產生機理，當管道內流速瞬間變大、壓力波突變嚴重時，該載荷對管道的沖擊力很大，可能會產生較大應力并導致管線振動甚至損壞。因此瞬態泄壓載荷屬于偶然載荷，需要在事故工況進行考慮。本文通過實例模擬流體泄壓瞬態下產生的載荷對管道的作用力，進而對管線采取適當的保護措施，確保了重要管線的完整性和安全性，并滿足RCC-M規范要求。

泄壓箱管線系統的實例分析

2.1管道系統模型

采用PIPESTRESS軟件進行力學分析，該軟件功能強大，作為專業的管道力學分析軟件，操作簡單，易于掌握，可以快速地進行管道應力分析。

該泄壓箱管線系統中，管道系統由泄壓箱、排放管線和爆破盤組成。泄壓箱管線模型如圖1 中所示。兩根排放管線的布置一致，因此取其中一個管線進行模型簡化分析。管道系統分析模型如圖2 中所示。

設置管道支撐時，既要考慮足夠的柔性以吸收管道熱膨脹和收縮，也要考慮足夠的剛性以承受動載荷的作用和配合土建的安裝。應用軟件的快速應力分析功能，計算出泄壓箱管線系統在各種載荷作用下的應力值，以此來調整管道支撐的合理布置方案。根據自重內壓、熱膨脹、地震及瞬態載荷的結果調整支架或阻尼器的數量和位置。通過反復地驗算和調試，合理布置泄壓箱管線系統的管道支撐，以保證管道系統具有足夠的柔性和剛性。

2.2力學分析

泄壓箱管線系統在核電廠壽命期內所承受的載荷有：自重、熱膨脹、內壓、地震和瞬態泄壓載荷。其力學分析方法[3]如下。

2.2.1 靜力學分析

泄壓箱管線系統所承受的靜載荷有：自重、熱膨脹以及內壓。

自重

采用在豎直方向施加加速度的方法模擬自重載荷。

熱膨脹與內壓

對于核電廠的 4 類工況，分別定義不同管段的溫度值和壓力值。程序將根據管道熱膨脹系數計算所產生的膨脹位移和膨脹應力，同時根據公式計算出由內壓引起的管道應力。

2.2.2動力學響應分析

泄壓箱管線系統所承受的動載荷有： 地震和瞬態泄壓載荷。

1）地震

泄壓箱管線系統在核島廠房內，在支架約束處輸入樓層的地震反應譜，來計算整個系統的地震響應。

2）瞬態泄壓載荷

在ASME規范中對管道瞬態排放力的描述：管道內流體的快速流動會對排放管道產生一定的作用力，通過排放管道傳至安全閥，并以力矩的形式通過管道作用在安全閥的設備或管道接口，以保證安全閥進出口管道及其他設備的安全。

管道瞬態作用力大小與安全閥的開啟時間，流體壓力及管道流通面積有關，則瞬態泄壓對管段的作用力公式為

在對應工況下將泄壓管線隨時間變化產生瞬態泄壓管段作用力施加在泄壓點和彎頭連接處。根據作用力公式，計算得到瞬態泄壓載荷如圖3所示。文中利用PIPESTRESS 軟件的時程分析功能進行瞬態載荷計算。

3應力評定

根據RCC-M規范的要求，對管道在設計、正常、擾動、緊急和事故工況下分別進行應力組合[4]。泄壓箱管線系統屬于RCC-M核二級管道，使用C3600進行評定。管道應力分析結果見表1。

4?設備接管載荷評定

由于緊急和事故工況下施加了瞬態泄壓載荷，該工況下設備接管載荷比其他工況要大許多，泄壓箱管口處的接管載荷結果見表2。經過設備核算，泄壓箱的接管載荷與限值的最大比為，滿足要求。

5 結語

經過分析，泄壓箱管線系統在承受自重、壓力、熱膨脹、地震、瞬態泄壓載荷作用下，均滿足RCC-M規范應力評定準則和設備接管載荷限值要求。整個分析過程采用了先進的分析工具，并對瞬態泄壓載荷的計算進行了說明，為后續項目管道計算奠定了基礎。

參考文獻

[1] ASME B31.1-2010， Power Ping?[S]， New York： ASME， 2009： 12

[2] RCC-M.壓水堆核島機械設備設計和建造規則（2007版）[S]

[3] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2003.

[4] 艾紅雷等.核電廠主管道事故工況載荷組合合理性研究[J].成都：核動力工程，2016.

徐中華（ 1982 -） ，男，工程師，主要從事核級管道設備力學分析工作