摘要：壓力管道瞬態(tài)泄壓發(fā)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(tài)泄壓載荷會對管道產(chǎn)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(tǒng)模型，根據(jù)ASME[1]規(guī)范B31.1節(jié)計算出瞬態(tài)泄壓載荷，經(jīng)PIPESTRESS軟件進行力學分析，得到瞬態(tài)泄壓載荷對管線系統(tǒng)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(guī)范應力評定準則要求。

關鍵詞：?壓力管道;瞬態(tài);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(nèi)流體瞬態(tài)變化產(chǎn)生的載荷通常沒有考慮，根據(jù)流體瞬態(tài)變化的產(chǎn)生機理，當管道內(nèi)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(chǎn)生較大應力并導致管線振動甚至損壞。因此瞬態(tài)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(tài)下產(chǎn)生的載荷對管道的作用力，進而對管線采取適當?shù)谋Ｗo措施，確保了重要管線的完整性和安全性，并滿足RCC-M規(guī)范要求。

泄壓箱管線系統(tǒng)的實例分析

2.1管道系統(tǒng)模型

采用PIPESTRESS軟件進行力學分析，該軟件功能強大，作為專業(yè)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(tǒng)中，管道系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)在各種載荷作用下的應力值，以此來調(diào)整管道支撐的合理布置方案。根據(jù)自重內(nèi)壓、熱膨脹、地震及瞬態(tài)載荷的結果調(diào)整支架或阻尼器的數(shù)量和位置。通過反復地驗算和調(diào)試，合理布置泄壓箱管線系統(tǒng)的管道支撐，以保證管道系統(tǒng)具有足夠的柔性和剛性。

2.2力學分析

泄壓箱管線系統(tǒng)在核電廠壽命期內(nèi)所承受的載荷有：自重、熱膨脹、內(nèi)壓、地震和瞬態(tài)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(tǒng)所承受的靜載荷有：自重、熱膨脹以及內(nèi)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(nèi)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?qū)⒏鶕?jù)管道熱膨脹系數(shù)計算所產(chǎn)生的膨脹位移和膨脹應力，同時根據(jù)公式計算出由內(nèi)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(tǒng)所承受的動載荷有： 地震和瞬態(tài)泄壓載荷。

1）地震

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

2）瞬態(tài)泄壓載荷

在ASME規(guī)范中對管道瞬態(tài)排放力的描述：管道內(nèi)流體的快速流動會對排放管道產(chǎn)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(tài)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(tài)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(chǎn)生瞬態(tài)泄壓管段作用力施加在泄壓點和彎頭連接處。根據(jù)作用力公式，計算得到瞬態(tài)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(tài)載荷計算。

3應力評定

根據(jù)RCC-M規(guī)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(tǒng)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(tài)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(jīng)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(jīng)過分析，泄壓箱管線系統(tǒng)在承受自重、壓力、熱膨脹、地震、瞬態(tài)泄壓載荷作用下，均滿足RCC-M規(guī)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(tài)泄壓載荷的計算進行了說明，為后續(xù)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(guī)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