核島管道分級方法與計算

核島管道分級方法與計算摘要：本文研究和分析了某核電站核島管道等級的分級方法，對該電站Q1、Q2和Q3級管道的不同分級方法進行了比較。文中重點分析了占該電站核島總管道數(shù)量70%的Q3、NC級管道的分級與計算方法，對該電站中Q3、NC級管道的執(zhí)行標(biāo)準進行了分析并與中國相關(guān)的國標(biāo)進行了比對，為后續(xù)相同堆型Q3、NC級管道的國產(chǎn)化應(yīng)用做了一些有益的初步探索。此外，分析和掌握核島管道分級方法，對將來新機型設(shè)計中的管道分級也有著很好的指導(dǎo)和借鑒意義。關(guān)鍵詞：管道等級；管道分級；核島管道某核電站前言管道分級是指根據(jù)一定的規(guī)則，將管道按照設(shè)計溫度、壓力等各種條件分成不同的設(shè)計范圍（即等級），并為該范圍的管道確定使用的材料，管道壁厚，可選用的管件等。合理的管道分級對于保障核安全、控制管道建造成本、提高核電站建設(shè)的經(jīng)濟性有著非常重要的意義。此外，管道分級也是管道設(shè)計的基礎(chǔ)，良好的管道分級，能夠使管道設(shè)計標(biāo)準化、簡便化，從而減少設(shè)計周期、節(jié)約設(shè)計成本，在核電站的設(shè)計過程中起著重要的作用管道分級在大部分核電機型路線中，管道分級號在本質(zhì)上都是由管道規(guī)范等級、管道材料、管道磅級三部分組成。因此，管道分級的定義過程包含以下幾個重要內(nèi)容：確定管道的規(guī)范等級、選擇管道材料、在選定材料的基礎(chǔ)上通過強度校核計算選擇相應(yīng)設(shè)計規(guī)范中滿足要求的管道壁厚與管件等，從而確定整個管系的分級。核電管道分級的過程，主要需要確定管道的規(guī)范等級、管道材料、管道壁厚（承壓能力）。2.1管道的規(guī)范等級核電站核島管道被歸類于承壓機械設(shè)備，因此管道規(guī)范等級實質(zhì)為承壓機械設(shè)備的設(shè)備規(guī)范等級。本文某核電站核島管道按設(shè)備規(guī)范等級（管道質(zhì)量等級）的不同，分為Q1、Q2、Q3和NC級。2.2管道的材料管道物項材料的選取與管道承壓計算密不可分。指定了管道的具體材料牌號才能確定材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，進而進行管道承壓計算。本文某核電站設(shè)備管道的設(shè)計、材料與制造規(guī)范方面其規(guī)定如下：Q1級設(shè)備及管道必須按照RCC-M規(guī)范一級相關(guān)要求執(zhí)行；Q2級設(shè)備及管道可以按照RCC-M規(guī)范二級，或者ASMENC卷相關(guān)要求執(zhí)行；Q3級設(shè)備及管道可以按照RCC-M規(guī)范三級，或者核電站在建國的本國相關(guān)行業(yè)標(biāo)準的要求執(zhí)行。（即本文某核電站的Q3級管道，可以按照中國國內(nèi)管道行業(yè)的相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。）2.3管道的承壓計算當(dāng)管道的規(guī)范等級和材料確定后，確定管道分級的另一個重要內(nèi)容就是管道和管件的壁厚計算與校核，以確保其能承受設(shè)計中的溫度和壓力。出于經(jīng)濟性的考慮，通常先以管系中用量最大的直管、彎管和彎頭的壁厚來確定整個管道等級的壁厚，然后以選定的壁厚對各類管件進行核算，不能滿足要求的管件，可以通過補強等措施彌補或重新調(diào)整整個管系的壁厚。本文某核電站管道壁厚的計算可執(zhí)行RCC-M的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)RCC-MB/C/D3640節(jié)，承受內(nèi)壓的直管壁厚計算公式為：整個管系的壁厚計算以直管為基礎(chǔ)。彎管和彎頭由于在彎制的時候彎曲處壁厚會減薄，不同的彎曲半徑，彎管壁厚減薄量不同。因此它們的最小需求壁厚是在直管壁厚的基礎(chǔ)上，乘以相應(yīng)的壁厚減薄系數(shù)得到。減薄系數(shù)由彎曲半徑與設(shè)計執(zhí)行規(guī)范共同確定（可參考RCC-MB/C3642.1）。管系壁厚的確定是以彎頭與彎管的內(nèi)外彎面的四個壁厚值中的最大值為計算厚度，再加上腐蝕余量、制造偏差得到最小所需的管線壁厚，并根據(jù)設(shè)計規(guī)范中管道標(biāo)準壁厚序列進行圓整選取，從而確定初選的管道壁厚。三通、大小頭、法蘭等其他管件，根據(jù)初選的管道壁厚按其所執(zhí)行的設(shè)計規(guī)范進行核算，核算通過即可確定最終的管道壁厚與管道等級。管道分級方法的應(yīng)用本文某核電站核島設(shè)備制造、安裝、檢驗等方面多執(zhí)行國外標(biāo)準，因而在將來新機型的核島管道設(shè)計中，管道設(shè)計規(guī)范建議按以下原則選取：Q1、Q2級沿用國外RCC-M標(biāo)準；Q3、NC級出于設(shè)計標(biāo)準的通用性，選用ASMEB31.1。Q級的定義可以直接等同或參考本文某核電站的機械等級M。在新機型的管道分級工作中，為滿足平行設(shè)計的要求，即在核島系統(tǒng)設(shè)計完成前就進行管道的分級工作，縮短設(shè)計周期，建議根據(jù)Q1、Q2與Q3、NC不同的特點，綜合成本以及安全考慮，對其采用不同的分級方法。Q1、Q2級管道分級本文某核電站中Q1、Q2級的管道數(shù)量相對較少，建議管道分級思路為先為各等級選取壁厚，計算各尺寸管道等級的管道承壓能力，對于其他彎頭、三通等管件，根據(jù)RCC-M以及ASMEB16.9，按與管道具有相同的材料和壁厚進行核算。最終取各溫度下所有尺寸管道中最小的承壓值為該等級管道的最大承壓能力。各管道等級的承壓能力，即溫度-壓力限值，計算完成后，即可由工藝系統(tǒng)管線的設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、規(guī)范等級和材質(zhì)類別確定其管道等級。Q3級、NC級管道分級Q3和NC級核島管道的數(shù)量龐大，管道壁厚的選取對工程造價的影響較大，建議采用正向直接計算管道壁厚的方法。根據(jù)項目工藝定義適當(dāng)數(shù)量的壁厚系列，根據(jù)ASMEB36.10M和ASMEB36.19M，分別為每個系列各尺寸的管道定義壁厚，不同系列同尺寸的管道壁厚有一定差值。根據(jù)工藝管線的設(shè)計溫度和設(shè)計壓力，利用前文中的公式（1），并考慮考慮管道中彎管的使用情況、試驗工況下所需的壁厚值、制造負公差一些綜合因素確定該管道最終壁厚。根據(jù)管道設(shè)計溫度、設(shè)計壓力，按ASMEB16.5中溫度-壓力限值的0.9倍選取法蘭磅級最后根據(jù)規(guī)范等級、材料類別、以及前面所選的管道壁厚系列和法蘭磅級即可得到最終的管道等級。在對管道進行計算時，若發(fā)現(xiàn)已定義的壁厚系列不能滿足要求，可考慮重新定義壁厚系列或者額外增加一個特殊的系列。3.3兩種分級方法比較上述3.1和3.2章節(jié)兩種分級方法本質(zhì)上都是為管道選定合適的壁厚，區(qū)別在于Q1、Q2是先定義管道等級，然后根據(jù)溫度-壓力限值將管道放入這些等級中；Q3、NC則根據(jù)實際的工藝參數(shù)進行計算，進而確定等級。Q1、Q2推薦采用的方法能夠在工藝參數(shù)確定前確定管道等級，并且管道等級數(shù)量較少，管道壁厚冗余量較大，安全性更高，但經(jīng)濟性稍差，需要根據(jù)后期實際的工藝參數(shù)對管道等級進行適當(dāng)修正。Q3、NC推薦采用的方法優(yōu)點在于根據(jù)實際工藝參數(shù)確定管道等級和壁厚，管道等級不需進行修正，管道壁厚余量較小，能夠節(jié)省大量成本（Q3、NC管道數(shù)量占核島管道總數(shù)量的70%左右）；缺點在于管道等級需要在工藝參數(shù)確定后才能確定，設(shè)計進度上有影響，并且管道等級數(shù)量會比較多。3.4Q3、NC級管道的國產(chǎn)化設(shè)計前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，對本文某核電站項目Q3級、NC管道，設(shè)計制造可以按照ASME或中國國內(nèi)管道行業(yè)的相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。如果后續(xù)新機型項目推行自主化設(shè)計，對于Q3、NC級管道的材料及引用標(biāo)準應(yīng)考慮大量進行國產(chǎn)化替代。經(jīng)分析本文某核電站項目，其Q3、NC級管道引用的不銹鋼管標(biāo)準基本與我國的GB13475等效，管件尺寸公差及壁厚公差不會存在問題。同樣碳鋼管道也有相應(yīng)的等效標(biāo)準。該核電站項目Q3、NC級管道常用的材料在力學(xué)性能上也與國內(nèi)基本相當(dāng)，對于個別差異可進一步分析評估。材料國產(chǎn)化替代的一個難題是，不同溫度下的屈服和抗拉強度數(shù)據(jù)的缺失，而這些數(shù)據(jù)這是壁厚計算確定許用應(yīng)力的關(guān)鍵數(shù)值。本文某核電站項目所引用的材料標(biāo)準上述強度數(shù)據(jù)較齊全，一般從50度到350度每間隔50度各溫度點的強度數(shù)據(jù)都會給出。如果采用國內(nèi)材料標(biāo)準，部分材料或許會缺失相應(yīng)的材料強度數(shù)據(jù)，嘗試采用插值法通過計算來獲取相應(yīng)的數(shù)值，然后加以驗證，也許是我們處理此類問題的一個思路，其合理性有待于進一步研究?？偨Y(jié)合理的管道分級，能在保證管道安全功能的同時，大量節(jié)約材料成本和設(shè)計成本，進一步研究國外核電站管道分級的相關(guān)原理和方法，并將其加以優(yōu)化和應(yīng)用，使之更適用于我國國內(nèi)行業(yè)現(xiàn)狀，對于我們研發(fā)新機型的核島管道設(shè)計有著十分重要的意義，而應(yīng)用標(biāo)準的國產(chǎn)化，更將為我國帶來不可估量的利益。參考文獻：《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》RCC-M2007版；《動力管道》ASMEB31.1-2010；⑶《管