基于PepS的核電廠管道系統(tǒng)高溫力學(xué)分析方法研究

摘? 要：文章以壓水堆核電廠卸壓箱排放管道為研究對(duì)象，按照RCC-MR要求，使用管道分析軟件PepS軟件運(yùn)用有限元方法，對(duì)管道在高溫下的完整性和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。研究了管道在高溫下的失效模式、評(píng)定準(zhǔn)則、材料性能參數(shù)確定;分析結(jié)果表明卸壓箱排放管道能夠經(jīng)受嚴(yán)重事故工況的高溫載荷，為正確開展核級(jí)管道高溫力學(xué)分析提供了有效的方法。

關(guān)鍵詞：核電廠;管道;PepS;高溫;蠕變;有限元

中圖分類號(hào)：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）15-0163-03

Abstract： The paper takes the discharge pipeline of pressure relief tank of PWR nuclear power plant as the research object， using the pipeline analysis software PepS and the finite element method to analyze the integrity and stability of the pipe at high temperature according to RCC-MR code. The failure mode， evaluation method and material property parameter determination of piping under high temperature are studied. The analysis results show that the discharge pipeline of the pressure relief tank can withstand the high temperature load under serious accident conditions， and provide an effective method for the correct high temperature mechanical analysis of nuclear grade pipeline.

Keywords： nuclear power plant; piping; PepS; high temperature; creep; finite element

0? 引? 言

壓水堆核電廠穩(wěn)壓器卸壓系統(tǒng)主要用于在嚴(yán)重事故工況下對(duì)一回路進(jìn)行卸壓，從而避免反應(yīng)堆發(fā)生高壓熔堆的風(fēng)險(xiǎn)，并將堆芯中的高放射性水蒸氣和易爆性氫氣排到指定的區(qū)域。在核電站高壓熔堆嚴(yán)重事故中，反應(yīng)堆堆芯的氣體溫度很高，這樣的高溫容易造成穩(wěn)壓器下游卸壓管道發(fā)生過(guò)度變形，甚至斷裂，進(jìn)而喪失其功能性[1，2]。

本文主要是分析嚴(yán)重事故工況下嚴(yán)重事故卸壓系統(tǒng)的完整性。首先對(duì)嚴(yán)重事故卸壓系統(tǒng)在嚴(yán)重事故發(fā)生后的不同階段進(jìn)行失效模式分析，進(jìn)而確定失效模式的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然后對(duì)管線在嚴(yán)重事故下進(jìn)行傳熱分析，確定進(jìn)行分析的溫度數(shù)據(jù)。最后對(duì)部分嚴(yán)重事故卸壓系統(tǒng)的管道進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，評(píng)價(jià)是否會(huì)發(fā)生失效。

1? 事故場(chǎng)景分析

如圖1所示，穩(wěn)壓器卸壓系統(tǒng)主要由以下三個(gè)部分組成：穩(wěn)壓器到卸壓箱之間的嚴(yán)重事故卸壓管線、卸壓箱、卸壓箱下游排放管線。事故發(fā)生初期是氫氣的主要產(chǎn)生階段，排放管道中的流體流量很大，如果管道發(fā)生斷裂，會(huì)導(dǎo)致安全殼內(nèi)的溫度和壓力急劇上升，并有發(fā)生氫爆的可能性，因此需要嚴(yán)重事故卸壓系統(tǒng)在此階段確保承壓邊界完整，并且管道有足夠的流通截面，不會(huì)堵塞，確保對(duì)一回路卸壓。

2? 規(guī)范調(diào)研

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，對(duì)以下規(guī)范進(jìn)行比較分析，對(duì)比調(diào)研規(guī)范的適用范圍及高溫下可達(dá)到的最高溫度，如表1所示。

經(jīng)過(guò)規(guī)范的調(diào)研和比較，溫度范圍較廣、可用性較強(qiáng)的規(guī)范有ASME-BPVC-Ⅲ-1NH和RCC-MR，這兩個(gè)規(guī)范都給出了較為詳細(xì)的高溫評(píng)定公式和材料參數(shù)。

ASME-BPVC-Ⅲ-1NH是ASME核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則篇第Ⅲ卷第1冊(cè)分篇，適用于高溫使用部件。RCC-MR是參考了法國(guó)在核電站設(shè)計(jì)和建造所積累的經(jīng)驗(yàn)，由法國(guó)AFCEN制定出版的，RCC-MR規(guī)范分別于1985年、1993年、2002年、2007年發(fā)布了共計(jì)四版次，該規(guī)范是一個(gè)規(guī)定高溫條件下使用部件的設(shè)計(jì)、材料、制造、檢驗(yàn)等準(zhǔn)則的綜合性標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。RCC-MR提供充分的保證以免于各種類型的失效。RCC-MR規(guī)范考慮溫度和時(shí)間兩個(gè)要素。對(duì)于溫度，要考慮其對(duì)材料性能的影響;對(duì)于時(shí)間，要考慮高溫下其對(duì)材料蠕變的影響[6]，本文選擇使用RCC-MR規(guī)范對(duì)卸壓箱下游排放管道進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3? 力學(xué)分析

3.1? 模型

排放管線所涉及管道的主要特性參數(shù)見表2：

本文使用PepS 5.0的靜力學(xué)分析對(duì)排放管線在嚴(yán)重事故工況下的完整性進(jìn)行力學(xué)分析評(píng)價(jià)，力學(xué)模型如圖2所示。

PepS軟件是被國(guó)際廣泛使用的核級(jí)管道力學(xué)分析軟件，目前廣泛應(yīng)用于美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)以及日本。其主要功能如下：完善的管道模型以及計(jì)算結(jié)果的前后處理功能;核級(jí)管道結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，包括結(jié)構(gòu)自重、熱膨脹、風(fēng)載荷、雪載荷、沉降以及預(yù)應(yīng)力分析等;核級(jí)管道結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析，最多可以定義99個(gè)樓層反應(yīng)譜;核級(jí)管道時(shí)程分析，可進(jìn)行力時(shí)程或加速度時(shí)程分析;核級(jí)管道熱分層分析;核級(jí)管道疲勞分析;幾乎包含了目前核電行業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，例如ASME、RCCM、KTA、EN13480等。該軟件是以核級(jí)管道計(jì)算軟件PIPESTRESS為核心的軟件包，其中包含了以下兩個(gè)軟件：前后處理軟件Editpipe和管道力學(xué)計(jì)算軟件PipeStress，除了上述兩個(gè)主體程序外，PepS軟件包內(nèi)還包含了根據(jù)輸入數(shù)據(jù)生成時(shí)程分析時(shí)需要的時(shí)程曲線的程序（FHFILE）、繪制管道ISO圖的程序（PLOTT）、生成譜分析時(shí)的響應(yīng)譜曲線的程序（SPECT），時(shí)程分析載荷文件生成軟件（CREAHIST）等等。PepS軟件的主界面主要由以下三部分組成：（1）輸入文件窗口，主要顯示的是管道計(jì)算輸入文件;（2）輸入、輸出文件顯示窗口，主要顯示內(nèi)容是：輸入的TXT文件名、其他輸入文件名、輸出結(jié)果文件名;（3）前后處理管理器窗口，主要顯示內(nèi)容是：工程管理器、輸入文件編輯器、求解器、結(jié)果查看器、報(bào)告生成器、其他高級(jí)工具等。

3.2? 載荷

卸壓箱下游排放管道高溫情況只在嚴(yán)重事故工況下產(chǎn)生，該情況下不考慮地震載荷，自重載荷采用在豎直方向施加9.81 m/s2加速度的方法模擬;另外，根據(jù)傳熱分析結(jié)果并考慮一定的保守性，排放管線的溫度取750 ℃，且由于卸壓箱的爆破盤已破裂，排放管的壓力與所在房間壓力相當(dāng)，保守取2.0 MPa。管道分析采用的溫度與壓力見表3。

PepS軟件提供了集中力（彎矩）、位移、溫度壓力、預(yù)應(yīng)力、熱分層、風(fēng)載以及雪載的定義卡片，滿足對(duì)管道加載需要。

3.3? 評(píng)定準(zhǔn)則

依據(jù)RCC-MRRB3600篇要求，管道在嚴(yán)重事故工況必須滿足的準(zhǔn)則和相應(yīng)的許用應(yīng)力限值，以及應(yīng)考慮的載荷組合見表4。由于工況溫度已超出規(guī)范的可忽略蠕變的溫度限值，需要對(duì)管道進(jìn)行典型蠕變分析評(píng)價(jià)，蠕變是金屬材料在恒溫、恒載長(zhǎng)期作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)金屬在任何溫度下都可能產(chǎn)生蠕變，但因?yàn)榈蜏叵虏⒉幻黠@因此可以忽略，然而在高溫條件下，金屬蠕變非常顯著，在設(shè)計(jì)中需要考慮蠕變影響。

PepS軟件提供了常用工況定義卡片，同時(shí)能夠組合各種獨(dú)立載荷工況下的力、彎矩、位移，組合方式包括代數(shù)相加、絕對(duì)值相加、平方和開方、最大合力、最大絕對(duì)值，滿足對(duì)不同載荷工況計(jì)算的需要。

3.4? 計(jì)算結(jié)果

3.4.1? 薄膜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

卸壓箱下游排放管線在嚴(yán)重事故工況下薄膜應(yīng)力小于RCC-MR給定的許用應(yīng)力，最大應(yīng)力比為0.55，評(píng)價(jià)通過(guò)，詳見表5。

3.4.2? 薄膜+彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

卸壓箱下游排放管線在嚴(yán)重事故工況下一次薄膜加彎應(yīng)力小于RCC-MR給定許用應(yīng)力，最大應(yīng)力比為0.52，評(píng)價(jià)通過(guò)，詳見表6。

3.4.3? 蠕變使用系數(shù)計(jì)算結(jié)果

卸壓箱下游排放管線在嚴(yán)重事故工況下蠕變斷裂使用系數(shù)評(píng)價(jià)如表7～8所示，均小于RCC-MR給定的限值，評(píng)價(jià)通過(guò)，對(duì)于材料為Z2CN1810的管道，W=7.5/10=0.75。

4? 結(jié)? 論

通過(guò)以上力學(xué)分析，按照RCC-MR規(guī)范的要求，卸壓箱下游排放管道在嚴(yán)重事故工況下薄膜應(yīng)力、薄膜+彎曲應(yīng)力、蠕變使用系數(shù)均滿足規(guī)定限值要求，該管道在嚴(yán)重事故下有足夠強(qiáng)度且不發(fā)生不可接受的蠕變，管道能夠保持足夠流通截面，不會(huì)堵塞，能夠執(zhí)行對(duì)一回路卸壓功能;通過(guò)此次研究，利用PepS軟件完成了對(duì)核級(jí)管道的疲勞—蠕變分析評(píng)估，探索了管道的蠕變規(guī)律，對(duì)比了相關(guān)規(guī)范，為正確分析管道高溫力學(xué)性能提供了方法。

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作者簡(jiǎn)介：劉浪（1983.11—），男，漢族，陜西漢中人，高工，本科，研究方向：核電廠管道力學(xué)計(jì)算。

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