基于PIPESTRESS程序評定核二三級高溫管道

馬琴 樓燁

（中國核電工程有限公司，北京100840）

第四代核能系統開發中涉及高溫管道系統，其結構完整性直接關系著高溫核電站的正常運行和安全性能[1]。管道在高溫下長期運行，會帶來諸多不同于三代核電站的問題，其中最重要的是需要考慮高溫帶來的與蠕變相關的失效。國內外通常采用分析法對高溫核級管道進行評定，美國ASME規范在CODE CASE N253的基礎上，2015年新增了ASME-BPVC-Ⅲ-Division5，其中HCB部分是核二三級管道的分析評定規范，為核電站二三級管道的分析評定奠定了基礎。核級管道力學分析軟件主要有PIPESTRESS和SYSPIPE等，其中PIPESTRESS軟件是國際上廣泛認可的適用于核電站的管道分析軟件?？蓪崿F管道建模和計算結構的前后處理，包括核級管道的靜力學分析、反應譜分析、時程分析、熱分析、疲勞分析等。評定標準幾乎涵蓋了核電行業常用的標準，如美國標準ASME，法國標準RCC-M以及歐洲標準EN13480等。但當前核級管道評定軟件還不能實現核二三級高溫管道的蠕變分析評定功能。本文基于ASME-BPVC-Ⅲ-Division5的HCB部分[2]，提出結合PIPESTRESS的現有功能和蠕變計算公式，評定高溫核二三級管系部件，并針對當前工程亟待解決的問題提出簡化評定方法。

1 分析評定過程

1.1 分析評定方法

核級高溫管道，首先需要依據Division5里的圖HCB-Ⅱ-1000-1給定的流程判定是否需考慮蠕變效應，即是否需要做蠕變分析。判斷是否需考慮蠕變效應基于兩個判斷條件加一個時間條件，詳細說明見HCB-Ⅲ-1100和HCB-Ⅲ-1200。對于A/B、C和D級工況，考慮判斷條件不同，結果只有需要考慮蠕變效應和不需要考慮兩種情況，而不需要時，還要看是否需要考慮老化系數。如不需要考慮老化系數，許用應力則為A4。需要考慮老化系數時，A4對應的許用值需要乘以老化系數，規范里將其稱為A3。如不需要考慮蠕變效應，則與常規溫度載荷計算一樣只是許用應力要按ASME Division5中表HCB-Ⅱ-2000-1到表HCB-Ⅱ-2000-4選取。對于需要考慮蠕變效應時，規范要求的許用應力值是A1，這時對于有焊縫的位置，許用應力需要乘以焊接系數，此系數與焊接工藝或焊接材料以及節點溫度密切相關。其值根據管道母材和焊材以及焊接工藝取自HCB-Ⅱ-3000表5到表6。本文假設分析需要考慮蠕變的情況。

目前核行業中廣泛應用的管道應力分析程序是從國外引進的PIPESTRESS和SYSPIPE程序，這兩個管道應力分析程序均無蠕變評定功能。為解決高溫管道評定的需要，實現核電廠高溫管道蠕變評定，需要對高溫管道蠕變計算的方法和評定規范進行研究。根據規范要求，在高溫蠕變發生時，NC分冊中規定的核二三級管道評定公式需要重新考慮，需按照2015版ASME規范Division中的HCB3600給出的核二三級高溫管道的評定公式（10c）（10b）和（11）分別進行評定。

其中，方程10（b）公式的左端項與NC-3600中的（10a）式的內容一致，只是右端的許用值發生變化，即考慮應力范圍減弱系數f，如果該工況溫度達到需要考慮焊縫系數的溫度，則許用值還需要考慮焊縫系數。公式（10c）中是當前i工況的溫度范圍與A,B和C級溫度工況最大范圍的比值，同樣需要考慮焊接縮減系數。當方程10b不滿足規范要求時，校核方程11，方程11公式的左端項與NC-3600計算一致的，只是右端的許用值改變了，做了更加嚴格的限制。

評定的難點在于應力減弱系數f的選取，選取原則依據表HCB-I-2000-1，選取依賴于等效循環次數N的計算值，N的計算依賴于熱瞬態時程計算。PIPESTRESS軟件不能進行核二三級管道的溫度瞬態計算，但可以采用核一級管道溫度瞬態計算，因此可以采用一級管道疲勞計算時的瞬態溫度載荷輸入條件，在疲勞計算和蠕變計算時分析原理是一致的，用戶進行的溫度梯度計算是有效的，只是在溫度梯度應力計算時要根據規范要求進行修改。故溫度瞬態應力計算采用核一級管道進行溫度瞬態計算，本文的說明的蠕變計算規范是核二三級管道的要求，但瞬態溫度載荷的使用不會沖突。最后結合瞬態工況的計算結果按照規范要求做手動計算。其中ri-1，ri-2和10c項中的瞬態梯度項都是與管道單元的具體位置和時間有關的結果，需要結合溫度瞬態工況進行計算。其中Ni為第i項溫度變化的循環次數

熱瞬態時程計算得到管壁中的瞬態溫度梯度，需要提取整個時間過程中的溫度梯度應力。最后結合瞬態工況的計算結果按照規范要求做手動計算。計算量大，需要大量的人力投入，鑒于此，工程上對比核一級管道疲勞溫度瞬態項TG10和TG11，以及核二三級管道蠕變溫度瞬態項ri-1，ri-2，得到簡化的蠕變溫度瞬態項計算方法如圖2所示，其中TG10，TG11以及ri-1，ri-2都是依據疲勞溫度瞬態和蠕變溫度瞬態參數定義的。

溫度瞬態應力數值關系如圖1所示，對于連續段，Ta=Tb，TG10=0，即ri-2=0；TG11=2*ri-1，蠕變計算輸出的ri-1的計算參數參考核一級疲勞溫度瞬態結果中TG11的T1，T2值。對于不連續段，Ta≠Tb，方程10的TG10=2*ri-2/K3，TG11計算公式中因Ta,Tb的參與，對應的計算參數不一定是最大T1,T2值的時刻，故ri-1的計算參數參考疲勞瞬態結果中不連續節點臨近的直管段的T1，T2的值。所有這些ri-1，ri-2和10c項都是與管道單元的具體位置和時間有關的結果，即管道的每個點，每個時刻都是不同的，校核按照管道各個點的整個過程中的最大值進行處理。

圖1溫度瞬態應力數值關系

圖2 幾何模型

1.2 流程總結

完整的核二三級管道蠕變計算包括如下步驟：

（1）按核二三級進行常規核級管道計算，檢查模型和結果。

（2）進行溫度瞬態應力計算：采用核一級管道疲勞分析功能計算溫度瞬態。

（3）判定是否進行蠕變計算以及許用值的選用。

（4）計算等效循環次數N、計算許用應力減弱系數f。

（5）評定蠕變方程10（b）、10（c）、11。

2 核二三級高溫管道蠕變算例

2.1 溫度瞬態計算

某核電站高溫管道材料采用P91高溫材料，設計溫度530°。因為模型節點過多，選取有代表性的節點位置進行計算，如圖2選取直管位置節點6、彎頭位置節點9、閥門節點37，這些點包括了常用的節點計算類型，其中37點為結構為截面不連續點，溫度瞬態計算會產生不同的截面平均溫度Ta、Tb，而其他是連續節點，平均溫度相等，則不必考慮Ta、Tb的影響。共定義4個瞬態工況：1、2為一個固定載荷組；3、4為另一固定載荷組。瞬態工況81為升溫過程，82為降溫過程，發生120次，運行級別為A/B級，蠕變運行時長1小時。瞬態工況83為降溫過程，84為升溫過程，發生50次，運行級別為A/B級，蠕變運行時長1小時。

對于連續段：Ta=Tb，TG10=0，即ri-2=0；TG11=2*ri-1；

對于不連續段：Ta≠Tb，TG10=2*ri-2/K3；TG11=2*ri-1，ri-1的計算參數參考不連續節點臨近的直管段的T1，T2的值。

計算結果如表1和表2所示，共有4個瞬態工況，此處僅列出81瞬態工況：

2.2 應力減弱系數的計算

循環工況的許用應力范圍減弱系數f按照圖2選取，f與全周期等效循環次數N的值和f=1時對應溫度下最大許用循環次數N1有關，N1根據表HCB-I-2000-2選取。以直管單元和閥門單元為例，應力范圍減弱系數的計算值如表3和表4所示。

表1 疲勞計算溫度瞬態結果

表2 蠕變計算溫度瞬態結果

2.3 評定方程的計算

本例題根據輸入條件判定需要進行蠕變計算，評定的許用應力選取A1或A2，P91材料在530°設計溫度下焊縫系數為1。蠕變評定方程10（b）、10（c）、11的評定共有4個溫度評定工況，此處僅列出21工況的評定結果，如表5和表6所示。

方程10（b）公式的左端項與NC-3600中的（10a）式的內容是一致的，許用值需要考慮應力減弱系數f和焊縫系數。公式（10c）中是當前i工況的溫度范圍與A,B和C級溫度工況最大范圍的比值，同樣需要考慮焊接縮減系數。當方程10b不滿足規范要求時，校核方程11，方程11公式的左端項與NC-3600計算一致的，只是右端項更加嚴格。本例題方程10b滿足規范要求，不涉及方程11的評定。

通過上述計算和評定，實現了核二三級高溫管道簡化的蠕變評定，該管段在高溫下的完整性和運行安全性得到證明。

表3 直管節點6（連續段）應力減弱系數的計算

表4 閥門節點37（不連續段）應力減弱系數的計算

表5 工況21方程10（b）的評定結果

表6 工況21（對應81瞬態工況）方程10（c）的評定結果

3 結論

本文歸納總結了高溫核二三級管道蠕變評定方法，鑒于現有核級管道評定程序無法完成高溫核二三級管道評定的問題，提出簡化的評定方法和流程，為后續自主開發蠕變分析評定軟件和完成當前工程亟需的分析評定要求打下基礎，本文的方法具有普遍適用性。