詹敏明,夏 栓,宋 煜,祁 濤,武心壯

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233)

0 引言

主蒸汽超級(jí)管道是核電廠內(nèi)重要的管道之一，通常安裝在安全殼機(jī)械貫穿件與主蒸汽隔離閥之間。超級(jí)管道既是主蒸汽系統(tǒng)的壓力邊界(避免蒸汽泄漏)；又是安全殼的邊界(避免放射性物質(zhì)外泄)，屬于雙重邊界，應(yīng)具有極高的安全性才能有效滿足雙重邊界的工況要求[1-2]。

國內(nèi)某型核電廠超級(jí)管道上布置有安全閥支管、釋放閥支管、旁通閥支管和疏水支管等部件，如圖1所示。超級(jí)管道上的管嘴多、焊縫多、受力復(fù)雜，在事故工況下所受到的沖擊極大，為了增強(qiáng)核電廠的安全性，避免出現(xiàn)超級(jí)管道的泄漏、斷裂等事故，需對超級(jí)管道的設(shè)計(jì)、材料、制造和試驗(yàn)等提出嚴(yán)苛的要求[3-5]。

圖1 主蒸汽超級(jí)管布置示意

該型核電廠超級(jí)管道的管嘴是嵌入式焊接管嘴，如圖2所示。安裝嵌入式焊接管嘴時(shí)，需在主管上開尺寸較大的孔，然后焊接管嘴，這種安裝方式破壞了主管的完整性，增加了大量焊縫，給超級(jí)管道的安全服役帶來了風(fēng)險(xiǎn)[6]。

圖2 嵌入式焊接管嘴的超級(jí)管道

因此對超級(jí)管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用一體成型的熱擠壓管嘴代替嵌入式焊接管嘴，增強(qiáng)超級(jí)管道的安全性能。一體成型的熱擠壓管嘴是指對主管局部加熱，利用模具擠壓主管的受熱金屬，形成管嘴，由于無需焊接管嘴，故不破壞主管的完整性，也不增加焊縫[6-7]。

本文根據(jù)國內(nèi)某型核電廠超級(jí)管道的參數(shù)，按ASME規(guī)范的要求設(shè)計(jì)熱擠壓管嘴，并采用應(yīng)力分析和成型仿真方法，進(jìn)行熱擠壓管嘴尺寸進(jìn)行研究，遵循熱擠壓管嘴最低應(yīng)力分布和最優(yōu)加工尺寸準(zhǔn)則，優(yōu)化熱擠壓管嘴的設(shè)計(jì)方法，為其他核電廠的超級(jí)管道管嘴設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 管嘴設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

核電廠超級(jí)管道屬于安全二級(jí)、抗震Ⅰ類設(shè)備，最高正常運(yùn)行壓力7.3 MPa，最高正常運(yùn)行溫度288 ℃，設(shè)計(jì)壽命60年。與超級(jí)管道連接的支管，包括6個(gè)安全閥支管、1個(gè)釋放閥支管、1個(gè)旁路閥支管和1個(gè)疏水支管，超級(jí)管道設(shè)計(jì)壓力為8.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度為320 ℃，其余設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[8]。

表1 超級(jí)管道設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)方法

管嘴削弱了主管的強(qiáng)度，需要通過增加管嘴區(qū)域的金屬量來加強(qiáng)管嘴強(qiáng)度，稱為補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。將管嘴截面內(nèi)主管最小壁厚內(nèi)的金屬面積A稱為需要補(bǔ)強(qiáng)的面積，而補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)主管的金屬面積A1和支管金屬面積A2，以及管嘴過度區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A3稱為補(bǔ)強(qiáng)面積，如圖3所示，管嘴的補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)大于需要補(bǔ)強(qiáng)的面積[9]。

圖3 熱擠壓管嘴的補(bǔ)強(qiáng)示意

超級(jí)管道的材料可不考慮流動(dòng)加速腐蝕[10]，熱擠壓管嘴工藝僅適用于支管和主管垂直相交的布置設(shè)計(jì)。

圖3中，Db為支管外徑，Dr為主管外徑，Tb為支管壁厚，Tr為主管壁厚，tb為支管最小壁厚，tr為主管最小壁厚。管道最小壁厚可通過下式計(jì)算，公式中參數(shù)可參考ASME-BPVC-Ⅲ-NC3641.1。

(1)

圖3中，r2為內(nèi)輪廓倒角半徑；r0為外輪廓倒角半徑；θ為外輪廓偏角；h0為擠壓高度；D0為主管外壁處的支管內(nèi)徑；當(dāng)r2小于主管壁厚時(shí)，D0與支管內(nèi)徑r1相同。

T0為管嘴外輪廓倒角半徑r0處的支管壁厚，可以通過下式計(jì)算：

T0=(h0-r0)tanθ+Tb

(2)

補(bǔ)強(qiáng)高度L可以通過下式計(jì)算：

(3)

從式(2)(3)可知,T0和L可由尺寸r0,θ,h0計(jì)算獲得。

1.3 尺寸分析

除r2,r0,θ,h0外，其余尺寸可以通過公式計(jì)算獲得，因此管嘴補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)與這4個(gè)尺寸有關(guān)，合理設(shè)計(jì)可滿足管嘴補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

(1)需要補(bǔ)強(qiáng)的面積A。

A=KtrD0

(4)

式中，K為與主管與支管參數(shù)有關(guān)的加權(quán)系數(shù)，參見ASME-BPVC-Ⅲ-NC3641.1。

(2)主管的補(bǔ)強(qiáng)面積A1。

A1=D0(Tr-tr)

(5)

除了主管區(qū)域外，還需要的補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A-A1為：

A-A1=D0[(1+K)tr-Tr]

如果內(nèi)輪廓倒角半徑r2大于主管壁厚Tr，此時(shí)主管外壁處的支管內(nèi)徑D0大于支管內(nèi)徑db，增加補(bǔ)強(qiáng)的面積會(huì)被削弱，因此內(nèi)輪廓倒角半徑r2應(yīng)不超過主管壁厚Tr。

(3)支管的補(bǔ)強(qiáng)面積A2。

A2=2L(Tb-tb)

(6)

管嘴的擠壓高度h0和外輪廓偏角θ取值越大，r0取值越小，則A2的補(bǔ)強(qiáng)面積越大。

(4)管嘴過渡區(qū)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A3。

(7)

擠壓高度h0和外輪廓偏角θ取值越大，而r0取值為h0/2時(shí)，A3的補(bǔ)強(qiáng)面積越大。

1.4 設(shè)計(jì)小結(jié)

ASME規(guī)范中規(guī)定外輪廓偏角θ的取值最大為30°，r0的取值范圍為:當(dāng)150 mm≤d<750 mm時(shí)，0.05d

因此,r2應(yīng)不超過主管壁厚Tr；r0應(yīng)取h0/2；θ取值30°時(shí),補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)越大；h0取值越大，補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)越大，但應(yīng)考慮管金屬擠壓成型、支管安裝等因此。據(jù)此超級(jí)管道管嘴的初步設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 擠壓管嘴初步設(shè)計(jì)結(jié)果

2 應(yīng)力分析

2.1 分析目的

超級(jí)管道管嘴通常作為加權(quán)了應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的管道，對其進(jìn)行評(píng)定，但是管嘴處是復(fù)雜的幾何不連續(xù)區(qū)域，不合理尺寸容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低管嘴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。加權(quán)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的評(píng)定方法不能直觀表征管嘴區(qū)域的應(yīng)力分布，不能為管嘴設(shè)計(jì)提供參考，因此有必要對超級(jí)管道管嘴進(jìn)行應(yīng)力分析，獲得管嘴區(qū)域的應(yīng)力分布，總結(jié)管嘴設(shè)計(jì)尺寸與管嘴應(yīng)力分布之間的規(guī)律，從而優(yōu)化管嘴設(shè)計(jì)。

2.2 研究方法

由于ASME規(guī)范對外輪廓倒角半徑r0取值的限制，r0對管嘴的應(yīng)力分布影響較小，而擠壓高度h0對管嘴的應(yīng)力分布幾乎沒有影響，因此這兩個(gè)尺寸不作研究，本文主要研究外輪廓偏角θ和內(nèi)輪廓倒角半徑r2對管嘴區(qū)域應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

以工況復(fù)雜、載荷大的安全閥支管管嘴為例，開展不同θ和r2取值時(shí)的應(yīng)力分析，如表3所示，其中h0=45 mm，r0=23 mm。

表3 管嘴的θ和r2在不同取值時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)

按照表3中取值組合，采用有限元軟件建立部分超級(jí)管道及安全閥支管的三維模型，分別加載內(nèi)壓載荷、機(jī)械載荷、溫度載荷等，進(jìn)行應(yīng)力分析并通過應(yīng)力線性化獲得應(yīng)力分布。

2.3 計(jì)算模型

采用Abaqus/Standard建模軟件建立部分超級(jí)管道的三維模型，劃分網(wǎng)格，為了獲得精準(zhǔn)的應(yīng)力分布，細(xì)化管嘴區(qū)域的網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4 超級(jí)管道模型

超級(jí)管道的材料為SA-336 F12,材料模型采用線彈性模型，參數(shù)如表4所示。

表4 超級(jí)管道材料模型參數(shù)

2.4 邊界條件

將主管的一端設(shè)為固定端，另一端和管嘴端設(shè)為自由端，內(nèi)壓和溫度載荷加載在管道內(nèi)壁面，機(jī)械載荷加載在主管和管嘴的自由端，載荷組合如表5[11]所示。

表5 邊界條件的載荷組合

2.5 分析結(jié)果

管嘴尺寸θ取0°，r2取40 mm時(shí)，管嘴的應(yīng)力云圖和應(yīng)力路徑如圖5所示。

圖5 管嘴應(yīng)力云圖和應(yīng)力路徑

按表3的尺寸組合進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)力分析結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 總體一次膜應(yīng)力強(qiáng)度

圖7 一次膜應(yīng)力加彎應(yīng)力強(qiáng)度

圖8 一次和二次膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度

內(nèi)輪廓倒角r2對總體一次膜應(yīng)力強(qiáng)度影響較小，隨著外輪廓偏角θ增加，總體一次膜應(yīng)力強(qiáng)度逐漸下降，最大降低約20%。

隨著內(nèi)輪廓倒角r2和外輪廓偏角θ增加，一次膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度逐漸下降，最大降低約15%。

隨著內(nèi)輪廓倒角r2和外輪廓偏角θ增加，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度稍有下降，最大降低不超過5%，降幅不明顯。

在ASME規(guī)范允許的取值范圍內(nèi)，外輪廓倒角半徑r0和擠壓高度h0的取值對管嘴的應(yīng)力分布影響較小，而選擇較大內(nèi)輪廓倒角r2和外輪廓偏角θ的取值，可以改善管嘴區(qū)域的應(yīng)力分布。

3 管嘴成型仿真

3.1 仿真目的

管嘴熱擠壓成型是復(fù)雜的鍛造過程，影響管嘴成型的因素包括管嘴設(shè)計(jì)尺寸、模具溫度、摩擦系數(shù)、擠壓時(shí)間等，本文通過仿真管嘴在擠壓過程中的成型情況，研究管嘴的設(shè)計(jì)尺寸對管嘴成型的影響。

3.2 成型工藝

首先在主管上開孔，加熱開孔的局部區(qū)域至1 000 ℃以上，將外部模具固定在主管外壁面，內(nèi)部模具(頂針)從內(nèi)側(cè)緩慢頂出，與外部模具一起將主管金屬擠壓成管嘴，如圖9所示。

圖9 擠壓成型的超級(jí)管道管嘴

3.3 仿真模型

管嘴擠壓過程金屬變形劇烈，因此采用Abaqus/Explicit軟件來模擬主管金屬的變形[12]。分別建立外部模具、內(nèi)部模具和超級(jí)管道局部的軸對稱模型，并劃分網(wǎng)格，如圖10[13]所示。

圖10 管嘴擠壓模型和網(wǎng)格劃分

根據(jù)擠壓工藝，將外部模具和內(nèi)部模具設(shè)置為剛性體，超級(jí)管道局部的材料屬性按表6[14]設(shè)置，超級(jí)管道材料遵循von Mises屈服準(zhǔn)則。接觸面法向設(shè)置為硬接觸，切向設(shè)置為罰函數(shù)模型，系數(shù)取0.15，設(shè)置ALE自適應(yīng)網(wǎng)格避免出現(xiàn)網(wǎng)格變形失真，擠壓時(shí)間為5 s，采用質(zhì)量縮放加快計(jì)算進(jìn)程。

表6 1 000 ℃下的材料屬性

3.4 仿真成型分析

(1)θ對管嘴成型的影響。

按照表2中的計(jì)算尺寸進(jìn)行成型仿真，如圖11(a)(軸向和徑向切面)所示，θ=30°時(shí),部分區(qū)域金屬與模具分離，管嘴成型質(zhì)量不佳;將θ調(diào)整為0°后，再進(jìn)行成型仿真，結(jié)果顯示管嘴擠壓均勻，成型質(zhì)量極好，如圖11(b)所示。

(a)θ=30°

(b)θ=0°

θ為30°不變，將管嘴壁厚由25.4 mm修改為17.48 mm，仿真結(jié)果顯示管嘴的成型質(zhì)量得到改善，如圖12所示。

圖12 管嘴壁厚17.48 mm時(shí)的管嘴成型

上述仿真結(jié)果表明，當(dāng)管嘴壁厚較大，可以減小θ值來改善管嘴成型質(zhì)量，此時(shí)補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)較大；當(dāng)管嘴壁厚較小時(shí)，較大的θ值能夠獲得較好的管嘴成型質(zhì)量，此時(shí)補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)較小。

(2)h0對管嘴成型的影響。

θ為0°時(shí)，將管嘴壁厚由25.4 mm修改為30 mm時(shí)，仿真結(jié)果顯示管嘴端部成型質(zhì)量變差，如圖13所示。

圖13 管嘴壁厚30 mm時(shí)的管嘴成型

管嘴壁厚Tb較大時(shí)，較大的h0取值會(huì)導(dǎo)致管嘴端部成型質(zhì)量變差，可按照下式來校驗(yàn)h0的取值，避免管嘴成型質(zhì)量不佳。

h0≤(Db/2-Tb)(1-Tb/Tr)

(8)

(3)r0和r2對管嘴成型的影響。

內(nèi)輪廓倒角半徑r2在成型過程中通常略大于外輪廓倒角半徑r0，而r0對管嘴成型的影響極小。管嘴成型仿真的結(jié)果表明，r2應(yīng)略大于r0；r0對管嘴成型的影響極?。粷M足補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)要求的情況下，外輪廓偏角θ取小值；需采用公式(8)校驗(yàn)h0的取值。

4 應(yīng)用情況

依據(jù)以上方法優(yōu)化超級(jí)管道管嘴的設(shè)計(jì)，結(jié)果如表7所示，優(yōu)化后的超級(jí)管道管嘴滿足ASME規(guī)范的應(yīng)力強(qiáng)度限制要求。

表7 優(yōu)化后的擠壓管嘴設(shè)計(jì)結(jié)果

安全閥支管管嘴成型仿真和擠壓制造結(jié)果如圖14所示，管嘴成型質(zhì)量良好。

圖14 管嘴成型仿真和擠壓制造結(jié)果

開展超級(jí)管道試驗(yàn)件水壓試驗(yàn)和載荷加載的試驗(yàn)，結(jié)果表明超級(jí)管道滿足國內(nèi)某型核電廠主蒸汽管道的設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)如圖15所示。

圖15 超級(jí)管道試驗(yàn)件水壓試驗(yàn)和載荷加載試驗(yàn)

5 結(jié)論

本文以國內(nèi)某型核電廠超級(jí)管道的安全閥支管為例，通過設(shè)計(jì)分析、應(yīng)力分析和成型仿真分析等方法，優(yōu)化了超級(jí)管道設(shè)計(jì)方法，在滿足ASME規(guī)范要求的前提下：(1)內(nèi)輪廓倒角半徑r2取值應(yīng)略大于外輪廓倒角半徑r0，但不大于主管壁厚；(2)外輪廓倒角半徑r0可取擠壓高度h0值的一半；(3)滿足補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)要求的情況下，外輪廓偏角θ可取小值；(4)采用公式(8)對h0的值進(jìn)行校驗(yàn)。

本文細(xì)化了ASME規(guī)范中對管道熱擠壓管嘴的設(shè)計(jì)方法，這一方法能夠優(yōu)化管道熱擠壓管嘴的尺寸設(shè)計(jì)和管嘴區(qū)域的應(yīng)力分布，并能夠確保管嘴在擠壓成型過程中獲得更佳的成型質(zhì)量，為核電廠或其他行業(yè)中熱擠壓管嘴的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。