核電站高中能管道斷管影響探討

江才俊，佘靖策，白光譜

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518057)

在核電站、常規(guī)電站和化工廠里,常有許多管道用于輸送高壓和高速的流體。雖然這些管道設(shè)計(jì)得能夠承受高壓,但由于種種原因,在系統(tǒng)中常會(huì)有壓力的脈動(dòng)和過(guò)高的壓力出現(xiàn)。例如,閥的突然開啟或關(guān)閉可能引起水錘效應(yīng)，地震、風(fēng)暴或管道附近某處的爆炸會(huì)對(duì)管道加上額外的載荷,管道輸送的幾種介質(zhì)混合時(shí)也可能造成內(nèi)部的爆炸。此外,管道中壓力和溫度的變化以及由流動(dòng)造成的振動(dòng),會(huì)產(chǎn)生氣穴、腐蝕、蠕變、疲勞等效應(yīng),從而使管道本身機(jī)械性質(zhì)變壞。在核電站中,管道要經(jīng)歷輻射,也會(huì)使其材質(zhì)變脆。如果一根管道無(wú)論由于何種原因突然破裂,泄漏的高壓液體就會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生很大的橫向力,在這個(gè)力作用下,破裂的管道會(huì)獲得很高的橫向速度,并通常使管道繞著管道上的一個(gè)局部變形區(qū)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這種現(xiàn)象就稱作管道甩動(dòng)。由于在電站中管道網(wǎng)絡(luò)通常并不是完全相互隔離的,所以一根因破裂而甩動(dòng)的管子很可能打在其他管子、容器或儀表上,造成這些器件的破壞,從而加劇事故的嚴(yán)重性,甚至造成鏈鎖式的災(zāi)害。因此,有必要對(duì)管子甩動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行認(rèn)真的研究,并采用限制器來(lái)吸收管子的甩動(dòng)的動(dòng)能,以盡量減少可能的破壞[1-6]。從力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看,管道甩動(dòng)是一種藕合現(xiàn)象,它是一個(gè)包含著流體力學(xué)、斷裂力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的綜合性的問(wèn)題。

本文詳細(xì)敘述常規(guī)島側(cè)高中能管道的確定、斷管位置的判定準(zhǔn)則、假想破口的類型、斷管的后續(xù)影響及其防護(hù)、斷裂甩動(dòng)計(jì)算各種計(jì)算方法等。

1 高、中能管道的判定

所謂斷管與破裂是分別針對(duì)安全殼內(nèi)外的高能量管路與中能量管路來(lái)考慮的。在進(jìn)行斷管位置判定前須先將管道分類定義出來(lái),以下引述RCC-P及其應(yīng)用說(shuō)明2.1節(jié)的定義[7-10]。

1）高能管道。高能管道包括在電廠正常工況下最高運(yùn)行溫度超過(guò)100℃或最高運(yùn)行壓力超過(guò)2MPa的管道系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分。如果一旦管道破裂，壓力不足以產(chǎn)生高的流速，則該管被劃為中能管道，這種情況是指溫度低于100℃充滿水的兩端封閉的壓力管道或通過(guò)止回閥與高能管道隔離的部分管道。

2）中能管道。在電廠正常工況下壓力超過(guò)大氣壓但又未能被劃歸高能管道的管道系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分劃為中能管道。如果管道的溫度超過(guò)100℃或壓力超過(guò)2MPa的門檻值，但這種狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間小于等于該系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間的2%，這些也劃為中能管道。

2 破裂類型及后果

2.1 假想的破裂類型

假想性的管路失效，包含高能量系統(tǒng)管路中發(fā)生軸向破裂或周向斷裂；中能量系統(tǒng)管路中發(fā)生穿壁式泄漏，造成必須使反應(yīng)堆急停，以及要延緩因?yàn)榇思僭O(shè)性管路失效所產(chǎn)生的后果。

1）軸向破裂。假定軸向破裂產(chǎn)生一條軸向裂縫但管道沒(méi)有斷開。假定這些裂縫在管道周向直徑上相對(duì)的兩個(gè)點(diǎn)起始（但不是同時(shí)出現(xiàn)），這樣射流反作用力會(huì)使管道構(gòu)形發(fā)生不在一個(gè)平面上的彎曲，根據(jù)ANSI/ANS 58.2所述:軸向破裂考慮破口形狀為矩形，破口面積等于管道內(nèi)截面面積，長(zhǎng)度方向平行于管道軸向，長(zhǎng)度等于兩倍的管道內(nèi)徑。如圖1所示。

2）周向斷裂。周向破裂的裂縫方向與管道軸線垂直，并假定導(dǎo)致管道斷開。除非分析已證明管道約束件、結(jié)構(gòu)件或管道剛度能限制管道運(yùn)動(dòng)，否則就假定斷開的兩個(gè)管道截面在徑向上至少分開一個(gè)管徑的距離。如圖2所示。

2.2 破裂的后果

高能量管路的假設(shè)性斷管所引發(fā)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)后果，包括有[11]：

1）產(chǎn)生拋射物；2）管路甩動(dòng)；3）管路斷管反應(yīng)力；4）噴流沖擊；5）斷管內(nèi)的次壓力波。

圖1 軸向破裂

圖2 周向斷裂

3 管道破裂動(dòng)力效應(yīng)的防護(hù)

3.1 安全準(zhǔn)則

針對(duì)上述動(dòng)態(tài)效應(yīng)的防護(hù)，管路設(shè)計(jì)考慮要能符合法國(guó)RCC-P及其應(yīng)用說(shuō)明中的安全要求。

用于評(píng)價(jià)管道布置安全性的所有假想破口都是指名義直徑大于25 mm的管道破裂（見(jiàn)RCC-P及其應(yīng)用說(shuō)明3.1.4.1.3C）。對(duì)于其他更小的管道破裂的研究只考慮其功能方面對(duì)電廠產(chǎn)生的后果（如小LOCA或小蒸汽管線破裂），這些破裂對(duì)布置設(shè)計(jì)沒(méi)有明顯的影響。

如果管線甩擊打到尺寸大于或等于同系列的管道，不會(huì)導(dǎo)致被擊管道失效，反之則認(rèn)為會(huì)失效。甩擊可以使名義尺寸較大、壁厚較薄的管道產(chǎn)生貫穿的泄漏裂紋。

3.2 保護(hù)措施

從破裂管道中瀉出的流體會(huì)在管系中產(chǎn)生推力和反作用力?？紤]這類載荷的效應(yīng)是為了確保重要設(shè)備和專設(shè)安全設(shè)施的持續(xù)完整性。

借助像隔離、屏障和管道甩擊限制器這類設(shè)計(jì)措施，可以使管道破裂造成的重要系統(tǒng)的損壞不至達(dá)到損壞其設(shè)計(jì)功能和影響重要部件可運(yùn)行性的程度。

1）實(shí)體分離。在電廠布置上根據(jù)實(shí)際可能，把各冗余安全系統(tǒng)盡量分開，以防止由于發(fā)生不要求該安全系統(tǒng)動(dòng)作的事故而喪失安全功能，也防止由于發(fā)生要求該安全系統(tǒng)動(dòng)作的特定事件而喪失安全功能。因此，冗余安全系統(tǒng)及其有關(guān)輔助支持設(shè)施之間的實(shí)體分離是設(shè)計(jì)中防護(hù)假想管道破裂事件動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的基本保護(hù)措施。

2）屏障、屏蔽和外殼。在很多情況下要利用墻體、地板和支撐面提供的保護(hù)來(lái)滿足保護(hù)要求。在隔離提供的現(xiàn)存保護(hù)不夠的地方必須提供額外的屏障、擋板或護(hù)罩來(lái)滿足功能保護(hù)要求。

3）管道甩擊限制器保護(hù)。在現(xiàn)有的隔離、屏蔽或外殼不能提供足夠的保護(hù)時(shí)，需要設(shè)置管道限制器來(lái)滿足功能保護(hù)要求。如果能夠證明破裂的管道不會(huì)對(duì)重要系統(tǒng)或設(shè)備造成不可接受的損壞，則不必設(shè)置管道限制器。

3.3 常用約束件的種類

1）大間隙約束件。屈服型（即U型箍）約束件按其在彈塑性區(qū)的性狀設(shè)計(jì)。而其附件，如鞍座、掛鉤、銷釘、托架、焊接件或固定螺栓則仍按工作在彈性區(qū)設(shè)計(jì)。U形箍的最大容許應(yīng)變是極限應(yīng)變的50%。

管道甩擊限制器按一次性使用、承受恒定噴射力或?qū)嶋H隨時(shí)間變化的作用力來(lái)設(shè)計(jì),如上圖3示意。

圖3 大間隙約束件（U型箍）

2）小間隙約束件。在大間隙約束件容許的大管道運(yùn)動(dòng)不允許發(fā)生的場(chǎng)合，就要設(shè)置小間隙約束件。安裝小間隙約束件的目的是在管道受到射流沖擊時(shí)限制管道的撓曲變形（間隙約束件），并在假想管道破裂事件中防止管道上產(chǎn)生破壞力矩（多道約束件）。圖4是小間隙約束件的一種典型結(jié)構(gòu)。

4 斷管位置判定準(zhǔn)則

針對(duì)斷管位置的判定，由于常規(guī)島側(cè)管道均為非核級(jí)管道，引述法國(guó)RCC-M系列標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于非核級(jí)管道的描述如下：

1）非核管道。如果需要按地震載荷對(duì)非核管道進(jìn)行分析和設(shè)置支撐，則其假想破口位置根據(jù)”RCC-M 2、3級(jí)管道”給出的準(zhǔn)則來(lái)確定。

如果缺乏應(yīng)力數(shù)據(jù)，則假想非核管道的破口發(fā)生在每個(gè)管系或每個(gè)支管系的下列位置：

圖4 小間隙約束件（剛性）

①該管系的端部；

②在每個(gè)管系接頭（如彎頭、三通、漸縮管、法蘭和非標(biāo)準(zhǔn)接頭）、焊接附件和閥門處。

2）RCC-M 2、3級(jí)管道。RCC-M 2級(jí)和3級(jí)管道的破口假定發(fā)生在下列位置：

①管道端部；

②根據(jù)下列準(zhǔn)則之一選擇中間段的位置：

a.在每個(gè)管道接頭（如彎頭、三通、漸縮管、法蘭和非標(biāo)準(zhǔn)接頭）、焊接附件和閥門處；

b.在電廠正常和異常工況下（即有持續(xù)載荷、偶然載荷和熱膨脹的情況）以及SSE載荷下，利用RCC-M C 3.6.5.3節(jié)中的方程算得的最大應(yīng)力變化范圍超過(guò)0.8（1.2Sh＋SA）的場(chǎng)合。

式中，SE為不熱膨脹應(yīng)力；Sa為壓力、重量、持續(xù)載荷、臨時(shí)載荷包括地震載荷引起的應(yīng)力總和。

當(dāng)根據(jù)所選擇的準(zhǔn)則不需要考慮中間段破裂位置的場(chǎng)合，選擇兩個(gè)假想的管道破口位置。但是，對(duì)于無(wú)接頭、閥門或焊接附件的直管段，只需要假想一個(gè)中間段的破口位置。

5 管道破裂甩動(dòng)計(jì)算方法

5.1 管道限制器的非線性特性

當(dāng)考慮管道甩動(dòng)過(guò)程中,管道、限制器和其他結(jié)構(gòu)物的相互作用時(shí),要解析地求解管道運(yùn)動(dòng)微分方程一般是不可能的,因?yàn)檫@是一個(gè)高度非線性的問(wèn)題,同時(shí)存在著幾何、材料和邊界條件的非線性。整個(gè)過(guò)程是非彈性的、大應(yīng)變和大位移的[12]。

當(dāng)管道破裂,高速流體的噴射對(duì)管道突然施加一個(gè)強(qiáng)烈的橫向作用力,管道的某些部份要出現(xiàn)塑性變,繼而管道的截面將出現(xiàn)橢圓化,橢圓化進(jìn)一步發(fā)展,就將引起管道出現(xiàn)局部屈曲,這些都使得管道的彎矩-曲率關(guān)系嚴(yán)重非線性。又由于截面橢圓化,截面面積要發(fā)生變化,截面積的減少,將影響管道中流體的流動(dòng),便流動(dòng)發(fā)生阻塞,這又反過(guò)來(lái)影響到作用在管道上的射流反作用力,最終又影響到管道的運(yùn)動(dòng)。圖5為某文獻(xiàn)給出的某種管道的在溫度550℃下,靜載實(shí)驗(yàn)得到的彎矩-曲率和截面積-曲率關(guān)系曲線。

邊界條件的非線性主要有2個(gè)來(lái)源：

1）由于管道構(gòu)形的變化,作用于管道上射流反作用力的方向也不斷在變化；

2）管道和限制器或其他結(jié)構(gòu)物間的接觸。管道和限制器之間通常有一定的間隙,開始時(shí)管道和限制器沒(méi)有接觸,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,限制器才對(duì)管道有作用力。管道和其他結(jié)構(gòu)物間接觸時(shí)的撞擊力是隨著管道塌陷程度或其他結(jié)構(gòu)物被穿入的程度而變化的。

圖5 彎矩-曲率和截面積-曲率關(guān)系曲線

材料的非線性則是由于有塑性變形,同時(shí)因?yàn)閷儆诟咚僮冃畏秶?應(yīng)變率效應(yīng)通常是不可忽略的。

5.2 力矩平衡法

由于上述的非線性特性,管道-限制器系統(tǒng)很少有解析解。1976年Salmon等人研究了圖6所示的管道-限制器系統(tǒng),給出了一個(gè)剛塑性解析解。這個(gè)結(jié)果常被人所引用,可能也是已有的唯一的一個(gè)解析解。

這個(gè)系統(tǒng)由一根懸臂梁管道和一個(gè)彈簧限制器組成。彈簧和懸臂梁間有一初始間隙,射流反作用力作用于懸臂梁的自由端。假定懸臂梁為理想剛塑性材料,射流反作用力和限制器作用力皆為常數(shù)。在小變形假定下,由這個(gè)簡(jiǎn)單模型的解析解得到如下結(jié)果：

1）響應(yīng)的第一階段是在距自由端為L(zhǎng)0=3M0/F處形成一個(gè)塑性鉸,其中M0為梁的塑性極限彎矩,懸臂梁的右半段繞此鉸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）當(dāng)懸臂梁和彈簧限制器接觸后,限制力的作用使得初始形成的塑性鉸變?yōu)橐菩秀q,此移行鉸向固定端移動(dòng)（圖6）,這是梁的響應(yīng)的第二階段。也可能在限制力作用處產(chǎn)生另一鉸,即成為雙鉸模式。

圖6 經(jīng)典的管道—限制器系統(tǒng)

3）外伸長(zhǎng)度L2對(duì)限制器及限制器處的塑性鉸所吸收的能量分配有影響。

由這一簡(jiǎn)單理想剛塑性模型所得到的結(jié)果,對(duì)估計(jì)管道及限制器參數(shù)有重要意義。

5.3 能量平衡法

也可以根據(jù)能量守恒原理進(jìn)行分析。由于管道振動(dòng)所具有的能量相對(duì)很小,射流反作用力所做的功,近似等于限制器塑性變形及梁在塑性鉸處變形所吸收的能量。這就是所謂能量平衡法。這個(gè)方法比較簡(jiǎn)單,所以有些文獻(xiàn)常用此法作初步分析。有的文獻(xiàn)指出,能量平衡法過(guò)高估計(jì)甩動(dòng)管道和其他結(jié)構(gòu)物間的碰撞力。應(yīng)用能量平衡法設(shè)計(jì)限制器,是比較簡(jiǎn)單易行的。但是因?yàn)闆](méi)有考慮到碰撞后的情況,而往往過(guò)高估計(jì)了管道的塑性轉(zhuǎn)動(dòng),另一方面,由于采用剛塑性模型,也過(guò)高估計(jì)了所吸收的能量。因而能量平衡法不總是給出保守的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了分析,應(yīng)用能量平衡原理和文獻(xiàn)[5]的結(jié)果,提出了計(jì)算限制器所吸收能量的上下界方法。

5.4 有限元法

有限元法是當(dāng)今一種重要的結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法。對(duì)于管道甩動(dòng)問(wèn)題,各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)幾乎都同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算的研究。某些研究機(jī)構(gòu)發(fā)展了專用的有限元程序,有的則應(yīng)用巳有的通用非線性動(dòng)力分析程序包。

當(dāng)應(yīng)用有限元法分析管道問(wèn)題時(shí),通常可以用梁?jiǎn)卧M管道,這時(shí)仍然采用平截面假定,若考慮到塑性變形,也和普通梁相同。專門的管道單元?jiǎng)t應(yīng)考慮到管道彎曲過(guò)程中截面橢圓化所引起的彎距-曲率的非線性關(guān)系。橢圓化進(jìn)一步發(fā)展時(shí),管道就會(huì)塌陷,在某些程序中將之簡(jiǎn)化為鉸,不能承受彎矩。在管道彎頭處,情況更為復(fù)雜。首先,彎頭部位管道的幾何形狀復(fù)雜其次,當(dāng)管道和其他結(jié)構(gòu)物碰撞時(shí),通常發(fā)生在彎頭部位。對(duì)于彎頭,有的采用殼單元,有的則發(fā)展了專門的彎頭單元。由于問(wèn)題的高度非線性,有限元分析通常是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的。有的研究機(jī)構(gòu)將有關(guān)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果存于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù),以便于將有限元分析結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,以改進(jìn)有限元的模型和計(jì)算方法。

5.5 各種計(jì)算方法的比較

根據(jù)上述描述，管道甩擊是一個(gè)高度非線性的問(wèn)題，要解析地求解管道運(yùn)動(dòng)微分方程一般是不可能的。目前主要的解決辦法有力矩平衡法、能量平衡法、有限元法等。能量平衡法由于其不能給出最保守設(shè)計(jì)的局限性，與核電站偏保守設(shè)計(jì)的原則相背，不適用于核電工程的設(shè)計(jì)。本文以某內(nèi)陸AP1000堆型核電站主蒸汽管道斷管設(shè)計(jì)為例，針對(duì)軸向破裂與周向斷裂分別對(duì)比力矩平衡法與有限元模擬法計(jì)算所得結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：關(guān)于碰撞力的估計(jì),針對(duì)軸向破裂采用力矩平衡法與有限元模擬法所得計(jì)算結(jié)果甚為接近；針對(duì)周向斷裂采用力矩平衡法所得計(jì)算結(jié)果要比有限元模擬法所得結(jié)果高出不少。究其原因主要由以下幾點(diǎn)：

1）ANS 58.2給出的簡(jiǎn)化力矩平衡算法沒(méi)有考慮到碰掩時(shí)彎頭可以被撞扁,管道截面會(huì)橢圓化變形并吸收一部分能量，這會(huì)導(dǎo)致U-bolt吸收的實(shí)際能量比ANS58.2估算的低，導(dǎo)致ANS58.2算法算出的反力較實(shí)際偏大；

2）由于截面橢圓化后截面面積要發(fā)生變化,截面積的減少,將影響管道中流體的流動(dòng),便流動(dòng)發(fā)生阻塞,這又反過(guò)來(lái)影響到作用在管道上的射流反作用力變小,也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的沖擊力比ANS58.2給出的小。

3）射流作用力變小后也會(huì)影響管道運(yùn)動(dòng)變慢，這也會(huì)導(dǎo)致U-bolt實(shí)際作用在管道上的反力不如ANS58.2估算的大。

基于以上幾點(diǎn)可以看出目前核電工程中所采用的力矩平衡計(jì)算方法是過(guò)于保守的。建議可以在后續(xù)核電工程的斷管設(shè)計(jì)中引入有限元法模擬計(jì)算，并綜合采用兩種方法計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行防甩擊設(shè)備選型。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)敘述了核電站高中能管道斷管位置的判定準(zhǔn)則、假想破口的類型、斷管的后續(xù)影響及其防護(hù)、管道斷裂甩動(dòng)問(wèn)題的各種計(jì)算方法如力矩平衡法、能量平衡法、有限元法等，并對(duì)幾種方法進(jìn)行了比較，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的力矩平衡法（ANS 58.2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化算法）結(jié)果相對(duì)保守，而有限元法能更真實(shí)地模擬主汽管道和防甩件特性、模擬在斷裂情況下的管道與防甩件的碰撞，更接近實(shí)際狀態(tài)，所得出的計(jì)算結(jié)果也更加有效，建議在后續(xù)工程設(shè)計(jì)中引入有限元法模擬計(jì)算。對(duì)后續(xù)核電站防甩設(shè)計(jì)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

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