李冬慧　魯佳　胡彧　田雅婧　袁宏

【摘 要】核電廠蒸汽發(fā)生器管板厚度計算是壓水堆一回路系統(tǒng)承壓邊界尺寸計算的關(guān)鍵。本文采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)和ASME VIII-1標(biāo)準(zhǔn)對包括蒸汽發(fā)生器傳熱管節(jié)距、布管圓直徑、管板外徑、筒體連接段厚度等主要參數(shù)的變化對管板厚度計算的影響進行對比計算分析，研究蒸汽發(fā)生器管板厚度計算標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用特點。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器;管板;厚度計算

中圖分類號： TL353.13文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0012-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.006

Study on Thickness Calculation Method of the Tube Plate of Steam Generator in Nuclear Power Plant

LI Dong-hui LU Jia HU Yu TIAN Ya-jing YUAN Hong

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610243，China）

【Abstract】Tube plate thickness calculation of PWR steam generator（SG）is a critical work for affirming the dimension of reactor coolant pressure boundary（RCPB）.In this paper，TEMA standard and ASME VIII-1 standard are adopted to conduct comparative calculation and analysis on the influence of changes in main parameters，including the pipe pitch of tube-sheet，diameter of tube layout，outer diameter of tube plate，thickness of connecting section，etc.on the calculation of tube plate thickness，so as to study the application characteristics of the calculation standard of the SG tube plate thickness.

【Key words】Steam generator tube plate;Thickness calculation

0 引言

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠核島內(nèi)三大重要設(shè)備之一，俗有“核電之肺”之稱。它是一、二回路的邊界，將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)并產(chǎn)生品質(zhì)合格的蒸汽用以推動汽輪機發(fā)電。壓水堆核電廠多采用立式U型管式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，管板是一、二次側(cè)壓力邊界，并且有開孔與傳熱管脹接連接。因此，管板厚度計算是蒸汽發(fā)生器承壓邊界尺寸計算的關(guān)鍵。在蒸汽發(fā)生器設(shè)計過程中，一般先采用換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)初步確定管板計算厚度，再根據(jù)工程經(jīng)驗確定管板厚度并按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行分析設(shè)計。

本文基于某核電機組蒸汽發(fā)生器設(shè)計參數(shù)（如表1所示），采用TEMA[1]標(biāo)準(zhǔn)和ASME VIII-1[2]（以下簡稱“ASME標(biāo)準(zhǔn)”）對包括蒸汽發(fā)生器傳熱管節(jié)距、布管圓直徑、管板外徑、筒體連接段厚度等主要參數(shù)對管板厚度計算的影響進行對比計算分析，研究不同蒸汽發(fā)生器管板厚度計算標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用特點。其中，應(yīng)用TEMA標(biāo)準(zhǔn)可直接計算最小管板厚度，ASME標(biāo)準(zhǔn)是對管板厚度進行校核計算，本文采用數(shù)值分析軟件編程迭代計算最小管板厚度。由于兩個標(biāo)準(zhǔn)均基于剪切強度和彎曲強度確定管板厚度，因此本文在進行計算過程中，分別基于彎曲強度、剪切強度確定最小厚度，并按各標(biāo)準(zhǔn)要求確定管板計算厚度。

1 計算方法簡介

本節(jié)計算方法中采用的TEMA標(biāo)準(zhǔn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)計算公式較多，以下關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)簡介中采用與標(biāo)準(zhǔn)相同符號，并且只介紹主要計算公式。

1.1 TEMA標(biāo)準(zhǔn)

TEMA標(biāo)準(zhǔn)是美國管式換熱器制造商協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)于U型管式換熱器管板厚度計算方法是分別按照彎曲強度和剪切強度計算，最終計算厚度取二者中較大者。計算公式如下：

1.2 ASME標(biāo)準(zhǔn)

ASME標(biāo)準(zhǔn)是美國機械工程師協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)于U型管式換熱器管板厚度計算主要是對于給定管板厚度分別按照彎曲強度，剪切強度，與管板連接的殼體（二次側(cè)筒體）中的連接段內(nèi)軸向應(yīng)力、與管板連接的殼體（一次側(cè)封頭）中的軸向應(yīng)力校核計算，滿足校核要求即可確定管板厚度。計算方法如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 傳熱管節(jié)距對管板計算厚度的影響

在布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計算節(jié)距為25mm、26mm、27mm、28mm、29mm時最小管板厚度，計算結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，無論是采用ASME標(biāo)準(zhǔn)還是TEMA標(biāo)準(zhǔn)，管板計算厚度隨傳熱管安裝節(jié)距的增大而減小，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)的計算厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)的，它們之間的差值隨傳熱管節(jié)距的增大而增大。對于基于彎曲強度的計算，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的，而對于基于剪切強度的計算，剛好相反;并且基于彎曲強度和剪切強度，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)的計算厚度差值均隨傳熱管節(jié)距增大而減小。由于ASME標(biāo)準(zhǔn)的計算管板厚度考慮一次側(cè)和二次側(cè)筒體連接段內(nèi)軸向應(yīng)力，而基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計算厚度大于基于管板彎曲強度、剪切強度的計算厚度，最終基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力強度的計算厚度決定管板計算厚度。從TEMA標(biāo)準(zhǔn)的計算結(jié)果可以看出，基于彎曲強度的計算厚度大于基于剪切強度的計算厚度。

2.2 布管圓直徑對管板計算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，管板外徑為3500mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計算布管圓直徑為2800mm、2900mm、3000mm、3100mm、3200mm時管板最小計算厚度，計算結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，基于彎曲強度的計算，隨著布管圓直徑的增大，采用ASME的計算厚度會隨之增大，而采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)的計算厚度保持不變，并且當(dāng)布管圓直徑小于2900mm時，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度小于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的，當(dāng)布管圓直徑大于或等于2900mm時，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的，它們之間的差值隨布管圓直徑增大而增大;基于剪切強度的計算，兩種標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度均隨布管圓直徑增大而增大，并且采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度要高于采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的，它們之間的差值隨布管圓直徑增大而增大。采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨布管圓直徑的增大而減小;采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于彎曲強度的計算厚度大于基于剪切強度的。

2.3 管板外徑對管板計算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，布管圓直徑為3000mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計算管板外徑為3200mm、3350mm、3500mm、3650mm、3800mm時管板最小計算厚度，計算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力計算的厚度不隨管板外徑變化，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力強度的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨管板外徑增大而減小。采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于彎曲應(yīng)力的計算厚度隨管板外徑增大而增大，而基于剪切應(yīng)力的計算厚度保持不變。對于基于彎曲強度的計算，當(dāng)管板外徑小于或等3500mm時，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的，當(dāng)布管圓直徑大于3500mm時，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度小于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的;對于基于剪切應(yīng)力的計算，兩種標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度不隨管板外徑改變，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度均小于采用TEMA計算的。

2.4 一次側(cè)連接段厚度對管板計算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，二次側(cè)連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計算一次側(cè)連接段厚度為185mm、190mm、195mm、200mm、205mm時管板最小計算厚度，計算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，對于基于彎曲強度的計算，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度都隨一次側(cè)連接段厚度增大而增大，采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度隨一次側(cè)連接段厚度增大而減小，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的。對于基于剪切強度計算，無論采用ASME標(biāo)準(zhǔn)還是TEMA標(biāo)準(zhǔn)，管板計算厚度隨一次側(cè)連接段厚度的變化而保持不變，并且采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算的厚度小于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的。采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨一次側(cè)連接段厚度增大而減小;而采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于彎曲強度計算的厚度大于基于剪切強度計算的，決定了管板計算厚度，并且隨一次側(cè)連接段厚度的增大而增大。

2.5 二次側(cè)連接段厚度對管板計算厚度的影響

在傳熱管節(jié)距為27mm，布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，一次側(cè)連接段厚度為190mm條件下，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)分別計算一次側(cè)連接段厚度為90mm、95mm、100mm、105mm、110mm時管板最小計算厚度，計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，對于基于彎曲強度和剪切強度的計算，無論采用ASME標(biāo)準(zhǔn)還是TEMA標(biāo)準(zhǔn)，管板計算厚度都不隨二次側(cè)連接段厚度變化。對于采用ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)，基于彎曲強度計算的厚度均要大于基于剪切強度計算的。采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于連接段內(nèi)軸向應(yīng)力的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨二次側(cè)連接段增大而減小;而采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算時，基于彎曲強度計算的厚度大于基于剪切強度計算的，決定了管板計算厚度。

3 結(jié)論

1）ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)是換熱器管板設(shè)計的常用標(biāo)準(zhǔn)，一般地，采用ASME標(biāo)準(zhǔn)計算厚度要大于采用TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算的。在核電廠蒸汽發(fā)生器管板厚度計算時，建議優(yōu)先采用ASME標(biāo)準(zhǔn)。

2）ASME標(biāo)準(zhǔn)考慮管板了彎曲強度、剪切強度及一、二次側(cè)筒體連接段中的軸向應(yīng)力，其中一、二次側(cè)筒體連接段內(nèi)的軸向應(yīng)力對管板計算厚度的大小起主導(dǎo)作用。

3）ASME標(biāo)準(zhǔn)和TEMA標(biāo)準(zhǔn)計算中，基于彎曲強度計算的管板厚度均要大于基于剪切強度計算的管板厚度。

【參考文獻】

[1]美國管式換熱器制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（TEMA），2007.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范.第Ⅷ卷第一冊 壓力容器建造規(guī)則，2010.