唐 龍 齊 敏 余華金 劉 佳

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

CEFR事故余熱排放系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐 龍 齊 敏 余華金 劉 佳

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

為提高快堆管道設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)支吊架優(yōu)化原則，對(duì)事故余熱排放系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使管道系統(tǒng)在各種預(yù)期的載荷工況下，都能滿足ASME設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值，并減少阻尼器、彈簧支吊架的使用量。通過(guò)對(duì)CEFR的事故余熱排放系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，積累了高溫管道支吊架的布置經(jīng)驗(yàn)，為以后快堆的管道設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

事故余熱排放系統(tǒng)，支吊架，ASME，高溫管道

快堆是快中子增殖反應(yīng)堆的簡(jiǎn)稱，快堆是世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的主要堆型，代表了第四代核能系統(tǒng)的發(fā)展方向。CEFR是我國(guó)第一座快堆，已于2011年7月實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。事故余熱排放系統(tǒng)是快堆的專設(shè)安全設(shè)施。在反應(yīng)堆出現(xiàn)地震、系統(tǒng)供電全部中斷、所有蒸汽發(fā)生器給水中斷的事故工況時(shí)，要保證堆芯的冷卻。

鈉冷快堆高溫管道的設(shè)計(jì)布置、支吊架布置和分析是影響快堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管道布置的重要技術(shù)，研究和掌握快堆高溫鈉系統(tǒng)管道的布置、應(yīng)力狀態(tài)、熱位移和變形分析、支吊架設(shè)計(jì)與配置，是關(guān)系到快堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要問題。

本文依托快堆高溫管道分析研究的課題，運(yùn)用AutoPIPE軟件分析事故余熱排放系統(tǒng)管道，優(yōu)化布置管道支吊架系統(tǒng)，使管道系統(tǒng)在各種預(yù)期的載荷工況下，都能滿足ASME設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值，在保證安全的前提下提高經(jīng)濟(jì)性。

1 管道支吊架的配置

管道系統(tǒng)的布置包括管道空間走向設(shè)計(jì)和支吊架配置，其中支吊架配置是管道工程中重要的一部分，管道支吊架配置包括確定支吊架位置和支吊架功能選擇。設(shè)計(jì)中，合理配置和正確選擇支吊架功能，是減小管道應(yīng)力和支吊架載荷的有效途徑。

支吊架布置方案并不是唯一的，沒有最合理最優(yōu)化的管道設(shè)計(jì)與支吊架布置方案，只是在遵循支吊架布置原則的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改與調(diào)整，做出盡量安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)CEFR高溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的過(guò)程中，遵循的主要原則有以下幾個(gè)方面。

1.1降低管道一次應(yīng)力

對(duì)于高溫鈉系統(tǒng)管道，一次應(yīng)力主要是由內(nèi)壓、自重產(chǎn)生的非自限應(yīng)力。如果管道一次應(yīng)力不能滿足要求，主要通過(guò)減小支吊架的間距來(lái)調(diào)整，即增加承重支吊架，地震載荷作用下的一次應(yīng)力不滿足要求,則通過(guò)增加阻尼器來(lái)調(diào)整。

1.2降低管道二次應(yīng)力

對(duì)于高溫鈉系統(tǒng)管道，二次應(yīng)力主要來(lái)自于熱脹、端點(diǎn)熱位移等載荷的作用。如果二次應(yīng)力不滿足要求，只能改變支吊架的類型或重新布置管道走向，減少二次應(yīng)力的方法主要有：

(1) 在滿足一次應(yīng)力的前提下減少剛性支架；

(2) 把剛性吊架替換成可變彈簧支吊架或恒力彈簧支吊架；

(3) 把彎頭替換成彎管；

(4) 增加U形彎。

1.3減少阻尼器

阻尼器在不約束熱位移的情況下能夠有效降低地震載荷下的一次應(yīng)力，在高溫管道設(shè)計(jì)中比較常見，尤其對(duì)于抗震級(jí)別比較高的高溫系統(tǒng)，CEFR事故余熱排放系統(tǒng)的阻尼器占支吊架總數(shù)的57%。但阻尼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格與維修費(fèi)用比較高，應(yīng)盡量減少使用，在管道系統(tǒng)滿足一定的抗震效果后布置過(guò)多阻尼器對(duì)管道抗震效果提高并不大，不僅使工程造價(jià)提高，而且給安裝也帶來(lái)一定困難。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，將熱脹工況下位移不大的阻尼器可以改為剛性拉桿或吊架，甚至直接減少過(guò)于密集的阻尼器，經(jīng)分析熱脹應(yīng)力也能滿足規(guī)范要求。

2 事故余熱排放系統(tǒng)的支吊架優(yōu)化分析

2.1系統(tǒng)介紹

事故余熱排放系統(tǒng)為安全2級(jí)，質(zhì)保等級(jí)QA1，抗震Ⅰ類，所有管道均為雙層管道，設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮蠕變?cè)O(shè)計(jì)。

管道材料為304H不銹鋼，根據(jù)ASME-Ⅲ和ASME規(guī)范案例，可得屈服應(yīng)力、平均熱膨脹系數(shù)、彈性模量、許用應(yīng)力Sh，膨脹應(yīng)力的許用應(yīng)力范圍SA按照ASME-III-NC-3611.2計(jì)算SA=f(1.25SC+ 0.25Sh)，304H不銹鋼的密度為8025.3 kg/m3，保溫層材料為復(fù)合硅酸鹽，密度為45 kg/m3。

2.2原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案的計(jì)算模型見圖1(a)?1(c)。

圖1 模型1(a)、模型2(b)和模型3(c)Fig.1 Model 1(a), model 2(b) and model 3(c).

2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

對(duì)事故余熱排放系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)進(jìn)行分析可以看出支吊架的設(shè)計(jì)不夠經(jīng)濟(jì)，所以在保證安全的前提下對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而使事故余熱排放系統(tǒng)的支吊架設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)。

2.3.1 模型1

最大應(yīng)力比與原設(shè)計(jì)的對(duì)比如表1所示。

表1 模型1重新設(shè)計(jì)前后的最大應(yīng)力比Table 1 Stress ratios of model 1 before and after optimization design.

重新設(shè)計(jì)后模型1的管道共使用阻尼器11個(gè)，吊架4個(gè)，拉桿2個(gè)，導(dǎo)向架3個(gè)，恒力彈簧吊架2個(gè)，可變彈簧吊架1個(gè)， 原設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)的差別比較如表2所示。

表2 模型1原設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)的支吊架差別Table 2 The differences of pipe support before and after optimization design in model 1.

2.3.2 模型2

最大應(yīng)力比與原設(shè)計(jì)的對(duì)比如表3所示。

表3 模型2重新設(shè)計(jì)前后的最大應(yīng)力比Table 3 Stress ratios of model 2 before and after optimization design.

重新設(shè)計(jì)后模型2的管道共使用阻尼器11個(gè)，吊架3個(gè)，拉桿3個(gè)，導(dǎo)向架4個(gè)，恒力彈簧吊架2個(gè)，可變彈簧吊架1個(gè)， 原設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)的差別比較如表4所示。

表4 模型2原設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)的支吊架差別Table 4 The differences of pipe support before and after optimization design in model 2.

2.3.3 模型3

最大應(yīng)力比與原設(shè)計(jì)的對(duì)比如表5所示。

表5 模型3重新設(shè)計(jì)前后的最大應(yīng)力比Table 5 Stress ratios of model 3 before and after optimization design.

重新設(shè)計(jì)后模型3的管道共使用阻尼器24個(gè)，吊架11個(gè)，拉桿2個(gè)，導(dǎo)向架17個(gè)，恒力彈簧吊架6個(gè)，可變彈簧吊架2個(gè)，原設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)的差別比較如表6所示。重新設(shè)計(jì)后的模型如圖2(a)–(c)所示。

表6 模型3原設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)的支吊架差別Table 6 The differences of pipe support before and after optimization design in model 3.

圖2 重新設(shè)計(jì)后的模型1(a)、模型2(b)和模型3(c).Fig.2 Model 1(a), model 2(b) and model 3(c) after optimization design.

3 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，共減少阻尼器72個(gè)，占61%，恒力彈簧支吊架12個(gè)，占54.5%，可變彈簧支吊架8個(gè)，占66.7%，優(yōu)化前后的最大應(yīng)力比的變化不是很大，都是滿足ASME規(guī)范的要求。對(duì)CEFR的事故余熱排放系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，積累了高溫管道支吊架的布置經(jīng)驗(yàn)，為以后快堆的管道設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1 美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì). 鍋爐及壓力容器規(guī)范III(ASME-III), 核動(dòng)力裝置設(shè)備建造準(zhǔn)則, 第一冊(cè), NC分卷, 二級(jí)設(shè)備[S]. 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 1995 American Society of Mechanical Engineers. Boiler and pressure vessel code III(ASME-III), rules for construction of nuclear facility components, Division 1-Subsection NC, Class 2 Components[S]. ANSI, 1995

2 美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì). 核設(shè)備1995年規(guī)范案例[S]. 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) ACI標(biāo)準(zhǔn)359-95, 1995 American Society of Mechanical Engineers. Nuclear components code cases 1995[S]. ANSI, 1995

3 國(guó)家地震局. 核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50267-97[S].中國(guó)計(jì)劃出版社, 1998 National Earthquake Bureau. Code for seismic design of nuclear power plants GB50267-97[S]. China Planning Press, 1998

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5 唐永進(jìn). 壓力管道應(yīng)力分析[M]. 北京: 中國(guó)石化出版社, 2009 TANG Yongjin. Stress analysis of pressure pipelines[M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2009

Optimization design of emergency decay heat removal system for CEFR

TANG Long QI Ming YU Huajin LIU Jia
(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

Background: China experimental fast reactor (CEFR) is the first fast reactor in China, the piping designs are very important for the fast reactor. Purpose: The purpose is to improve the economy of pipeline design for the fast reactor. Methods: According to the optimization principles, redesign the support system of emergency decay heat removal system. Results: The piping of emergency decay heat removal system meets the ASME standard stress limit value under various prospective loads, and reduces the number of dampers, spring hangers. Conclusions: We accumulate layout experience for the support design of high temperature piping by the optimization design for emergency decay heat removal system, lay the foundation for the fast reactor piping design in the future.

Emergency decay heat removal system, Support, ASME, High temperature piping

TL375.5

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040656

唐龍，男，1981年出生，2004畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)榉磻?yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-10-31，

2012-12-15

CLC TL375.5