“華龍一號”雙層安全殼貫穿件設(shè)計(jì)載荷計(jì)算方法研究

弓振邦，余順利，彭星銘

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

HPR1000雙層安全殼貫穿件是將安全殼內(nèi)部與外部流體管道連接在一起的關(guān)鍵性部件，它屬于反應(yīng)堆安全殼的一部分。在各種工況下，它既要滿足系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)的要求，又必須確保安全殼的氣密性和完整性。

由于機(jī)械貫穿件將貫穿管路與安全殼混凝土中預(yù)埋的套筒連接在一起，管道借助機(jī)械貫穿件與反應(yīng)堆安全殼緊密地連接在一起，各種工況下管道所承受的載荷經(jīng)機(jī)械貫穿件傳遞給安全殼，因此機(jī)械貫穿件又起著系統(tǒng)管道固定支架的作用。

1 貫穿件封頭設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算思路

HPR1000雙層安全殼貫穿件封頭載荷的計(jì)算方法參考了 M310核電廠貫穿件及 AP1000雙層安全殼貫穿件的載荷計(jì)算方法。但由于M310電廠為單層安全殼，貫穿件布置方式與雙層安全殼的貫穿件布置方式不同，AP1000核電廠主蒸汽及主給水管道不把貫穿件作為固定點(diǎn)，且 AP1000固定端為鋼制安全殼，所以研究針對HPR1000貫穿件載荷的確定方法在參考M310及AP1000電廠的基礎(chǔ)上，加入了新的計(jì)算方法。

1.1 計(jì)算原則及假設(shè)

貫穿件應(yīng)力計(jì)算及載荷確定中遵循如下原則：

（1） 作用于封頭的設(shè)計(jì)外部載荷不是真實(shí)的作用于封頭的載荷，而是基于管道所能作用于封頭兩端的最大彎矩。

（2） 由管道傳遞的外部載荷作用點(diǎn)如圖 1所示。

圖1 管道傳遞的外部載荷作用點(diǎn)Fig.1 Point of action for external loads transmitted by pipeline

（3） 載荷同時(shí)作用在封頭兩側(cè)，并考慮最不利的方向組合。

（4） 不考慮外側(cè)安全殼與管道之間的柔性連接引起的載荷。

1.2 各工況下貫穿件封頭承受的載荷類型

貫穿件計(jì)算中考慮了如下載荷：

（1）管道中流體的壓力；

（2）安全殼內(nèi)部的壓力；

（3）管道傳遞的外部載荷。

2 管道傳遞的外部載荷

對于1.2節(jié)中提到的貫穿件外部載荷，管道內(nèi)部壓力及安全殼內(nèi)部壓力是設(shè)計(jì)中已經(jīng)明確的載荷，且施加方式也不會(huì)存在異議。但管道傳遞的外部載荷就需要進(jìn)行詳細(xì)的分類計(jì)算，本節(jié)給出管道傳遞外部載荷的計(jì)算思想。

2.1 中能管道傳遞的外部載荷

當(dāng)貫穿件連接管道為中能管道，即工作壓力不超過2 MPa且工作溫度不大于100 ℃的中能流體系統(tǒng)的管道，不考慮管道的斷裂。正常與異常工況下應(yīng)該保證管道處于完全彈性的狀態(tài)，即作用于封頭兩端的彎矩、扭矩及力載荷如公式（1）所示[1]：

各工況下封頭兩端傳遞的管道外部設(shè)計(jì)載荷如表1所示。

表1 各工況下封頭兩端管道外部載荷Table 1 External load of pipes at both ends of the lower head under various working conditions

2.2 主蒸汽和主給水管道傳遞的外部載荷

2.2.1正常與異常工況下傳遞的外部載荷

正常與異常工況下，主蒸汽及主給水管到貫穿件載荷與其他高能管道貫穿件的載荷計(jì)算方法一致，見2.3節(jié)。

2.2.2事故工況下管道傳遞的外部載荷

主蒸汽管道和主給水管道均為高能管道，需考慮高能管道破裂的情況，即需考慮傳遞到貫穿件的破裂載荷。

（1）主給水系統(tǒng)管道傳遞的破裂載荷

以福清核電5、6號機(jī)組為例，主給水系統(tǒng)管道貫穿件在安全殼內(nèi)測連接管道為TFM001、TFM002、TFM003，根據(jù)管道的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，主給水管道 TFM001、TFM002、TFM003的破裂位置如圖 2～圖 4所示，且各個(gè)假想的破裂點(diǎn)均為環(huán)向破口。

圖2 TFM001管道假想斷裂位置（1～4）Fig.2 Hypothetical location 1 to 4 of TFM001 pipe break

（2）主蒸汽系統(tǒng)管道傳遞的破裂載荷

由于主蒸汽系統(tǒng)管道采用破前漏（Leak Before Break，LBB）技術(shù)，所以未進(jìn)行相應(yīng)管道的假想破裂位置分析，主蒸汽系統(tǒng)管道傳遞給貫穿件的破裂載荷方向和計(jì)算方法參照主給水系統(tǒng)的管道破裂載荷的方向和計(jì)算方法。對于安全殼內(nèi)側(cè)管道破裂，載荷組合方法這里采用與主給水管道相同的組合方法。對于安全殼外側(cè)管道破裂，由于主蒸汽管道貫穿件在安全殼外側(cè)連接的直管段上有兩個(gè)橫向限制件，這兩個(gè)橫向限制件能夠限制管道剪力方向的位移以及彎矩和扭矩方向的轉(zhuǎn)角，所以安全殼外側(cè)連接管道如果破裂則只有軸力可以傳遞到貫穿件上。

圖3 TFM002管道假想斷裂位置（1～4）Fig.3 Hypothetical location 1 to 4 of TFM002 pipe break

圖4 TFM003管道假想斷裂位置（1～4）Fig.4 Hypothetical location 1 to 4 of TFM003 pipe break

通過對上面安全殼內(nèi)外側(cè)連接貫穿件管道假想破裂點(diǎn)噴放力方向的分析，可以確定出各個(gè)破裂點(diǎn)噴放力傳遞到貫穿件后的載荷方向，具體包括的載荷如表2所示。

表2 主給水管道各個(gè)破裂點(diǎn)傳遞的載荷方向Table 2 Load direction of each fracture point of the main water supply pipeline

2.3 其他高能管道傳遞的外部載荷

當(dāng)貫穿件連接管道為高能管道，即工作壓力大于2 MPa或者工作溫度超過100 ℃，且維持該狀態(tài)的時(shí)間超過總運(yùn)行時(shí)間的 2%的高能流體系統(tǒng)的管道，要考慮“高能”管道破裂的情況，即需考慮傳遞到貫穿件的破裂載荷，破裂工況下考慮的載荷按公式（2）確定（此時(shí)管道整個(gè)截面都屈服且考慮應(yīng)力強(qiáng)化效應(yīng)）：

各工況下封頭兩端傳遞的管道外部設(shè)計(jì)載荷如表3所示。

表3 各工況下封頭兩端傳遞的管道外部設(shè)計(jì)載荷（考慮斷裂）Table 3 External design load of the pipe transferred at both ends of the lower head under various working conditions（considering fracture）

3 結(jié)論

本文給出了“華龍一號”機(jī)械貫穿件在不同工況下設(shè)計(jì)載荷的確定方法。對于管道傳遞給貫穿件的接管載荷，分別針對中能管道、高能管道（除主蒸汽、主給水管道）以及主蒸汽和主給水管道三種情況給出了貫穿件接管載荷的計(jì)算方法。尤其對于主蒸汽管道與主給水管道貫穿件，根據(jù)管道詳細(xì)破裂點(diǎn)位置進(jìn)行了精細(xì)分析，給出了準(zhǔn)確傳遞到貫穿件的破裂載荷，為貫穿件和安全殼的設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依據(jù)，在確保設(shè)計(jì)安全性的同時(shí)也避免了該處貫穿件和安全殼承受過于保守的設(shè)計(jì)載荷，降低了主蒸汽和主給水管道貫穿件及安全殼的設(shè)計(jì)難度。