高宏喜，秦重陽，楊暉，李曦濱

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

國核壓水堆示范工程再熱管道布置方案分析

高宏喜，秦重陽，楊暉，李曦濱

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章介紹了國核壓水堆示范工程再熱管道的布置方案，然后進(jìn)行了再熱管道的應(yīng)力分析，并對管道施加在汽缸和MSR管口的載荷進(jìn)行了校核，結(jié)果表明該方案滿足工程要求。

再熱管道，MSR，高中壓缸，膨脹節(jié)，載荷

0 引言

核電再熱管道的主要作用是將高壓缸排汽引入MSR（汽水分離再熱器）進(jìn)行汽水分離再熱，而后將再熱后的蒸汽引入中 （低）壓缸做功。國核壓水堆示范工程要求MSR采用一端固定，一端滑動的支撐型式。目前已投運(yùn)的嶺澳二期、寧德、紅沿河等工程中MSR均采用兩端滑動的支撐型式。再熱管道管徑大、布置空間有限，MSR支撐型式的差異對再熱管道的布置有非常大的影響，而再熱管道的布置又會對汽缸的穩(wěn)定性和強(qiáng)度以及MSR的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，因此需要仔細(xì)設(shè)計并與設(shè)計院配合工作，以滿足工程需要。

本文介紹了國核壓水堆示范工程的再熱管道布置方案，通過對管道的應(yīng)力分析以及對管道施加到設(shè)備接口的載荷校核，論證了此方案可以滿足工程要求。

1 再熱管布置方案

國核壓水堆示范工程MSR采用機(jī)頭側(cè)滑動，機(jī)尾側(cè)固定的支撐型式。再熱管道左右兩側(cè)對稱布置，如圖1所示。

圖1 再熱管道布置示意圖

取左側(cè)管道介紹其布置方案。如圖2所示，高壓缸排汽經(jīng)再熱冷段管道進(jìn)入MSR，經(jīng)汽水分離再熱后，通過再熱熱段管道進(jìn)入中壓缸做功。再熱冷段左上管道柔性較好，可以通過自身柔性吸收管道熱膨脹；再熱冷段左下管道增加2個相同的角向膨脹節(jié)，以吸收管道熱膨脹；再熱熱段左上和左下管道分別增加一個彎管壓力平衡式膨脹節(jié)來吸收管道熱膨脹。

圖2 左側(cè)再熱管道布置方案

再熱管道支吊架設(shè)置如圖3所示。中壓蝶閥支架生根在運(yùn)行平臺的鋼梁上；中壓蝶閥兩側(cè)增加阻尼器，以保證管道在閥門關(guān)閉、地震等偶然工況下的穩(wěn)定性，中壓蝶閥上阻尼器生根在MSR檢修平臺的鋼梁上。再熱冷段左上管道增加一彈簧支座，支座生根在基座前方的埋件上新增鋼梁的上方，通過鋼梁將載荷傳遞到基座上；再熱冷段左下管道位于基座和運(yùn)行平臺下方，在管道中間增加一彈簧吊架，生根在基座側(cè)邊運(yùn)行平臺的鋼梁下方。

圖3 再熱管道支吊架設(shè)置示意圖

2 應(yīng)力分析

2.1 應(yīng)力分析模型

再熱管的應(yīng)力分析模型如圖4所示。MSR采用大直徑管道模擬，其重量等于MSR運(yùn)行重量；彎管壓力平衡式膨脹節(jié)采用簡化膨脹節(jié)模型模擬，給定其軸向和橫向剛度，由于彎管壓力平衡式膨脹節(jié)可以吸收內(nèi)壓產(chǎn)生的壓力推力，因此不考慮壓力推力作用；設(shè)備接口給定運(yùn)行工況的熱位移值。

圖4 再熱管道應(yīng)力分析模型

2.2 應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)ASME B31.1《動力管道》[1]規(guī)范對再熱管的管道應(yīng)力進(jìn)行分析校核。圖5～圖7分別給出了持續(xù)載荷下的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及偶然載荷下的一次應(yīng)力校核結(jié)果。所謂一次應(yīng)力，是指由于壓力、重力和其他外力載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。它是平衡外力載荷所需的應(yīng)力，隨外力載荷的增加而增加。而二次應(yīng)力是指由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)位移等位移載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必需的應(yīng)力[2]。從圖中可以看出，再熱管道的一次、二次應(yīng)力都滿足規(guī)范要求。

管道上各支吊架均在土建結(jié)構(gòu)上生根，因此需校核土建結(jié)構(gòu)能否承受相應(yīng)的支吊架載荷。根據(jù)計算結(jié)果，校核MSR支座、中壓蝶閥支架以及管道彈簧支吊架在冷態(tài)、運(yùn)行以及極限情況 （地震汽錘）下的載荷。經(jīng)確認(rèn)，土建結(jié)構(gòu)可以滿足此荷載要求。

圖5 持續(xù)載荷下一次應(yīng)力校核

圖6 持續(xù)載荷下二次應(yīng)力校核

圖7 偶然載荷下一次應(yīng)力校核

2.3 膨脹節(jié)分析結(jié)果

膨脹節(jié)在運(yùn)行狀態(tài)下會發(fā)生變形來吸收管道的熱膨脹。表1給出了再熱管膨脹節(jié)在運(yùn)行狀態(tài)下的熱位移結(jié)果，其中膨脹節(jié)位置如圖8所示?？梢钥闯觯總€膨脹節(jié)的熱位移值均在允許位移的范圍之內(nèi)。

表1 運(yùn)行狀態(tài)下膨脹節(jié)熱位移結(jié)果

圖8 膨脹節(jié)位置示意圖

3 設(shè)備接口載荷校核

3.1 高中壓缸接口載荷校核

再熱管分別與高中壓缸的高壓排汽口、中壓進(jìn)汽口相連。在各工況下管道會對汽缸接口產(chǎn)生一定的載荷作用。這些載荷必須滿足汽缸的穩(wěn)定性和汽缸接口處強(qiáng)度的要求，需進(jìn)行汽缸穩(wěn)定性以及汽缸接口有限元分析校核。

3.1.1 汽缸穩(wěn)定性校核

所謂汽缸穩(wěn)定性校核，即是將作用在汽缸上的各接口 （高壓進(jìn)汽口、中壓進(jìn)汽口、高壓排汽口、中壓排汽口、高中壓部分抽汽口）的載荷及汽缸做功時產(chǎn)生的反力矩分解到汽缸各支撐處，并計算出汽缸支撐處的垂直反力及作用在汽缸上的橫向合力、軸向推力，根據(jù)這些力占汽缸重力的比值來校核汽缸的穩(wěn)定性。

根據(jù)火力發(fā)電設(shè)備計算手冊[3]，結(jié)合火電汽輪機(jī)汽缸的穩(wěn)定性計算經(jīng)驗，并考慮到半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)功率大的特點(diǎn)，確定了核電高中壓缸穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則。

根據(jù)判定準(zhǔn)則的校核結(jié)果如表2所示。

表2 高中壓缸汽缸穩(wěn)定性校核結(jié)果

3.1.2 汽缸接口強(qiáng)度有限元分析

該核電汽輪機(jī)高中壓缸因其低參數(shù)/大流量的工作特點(diǎn)，及其結(jié)構(gòu)為大口徑薄壁汽缸，故各管口推力和推力矩都可能影響汽缸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)汽缸及管口載荷共分析了6種工況，如表3所示，其中熱態(tài)工況考慮了溫度壓力的作用。由于冷態(tài)工況下管道對汽缸接口的載荷較小，且沒有溫度與壓力的影響，對汽缸接口的強(qiáng)度影響較小。因此下面主要分析熱態(tài)工況下管道對汽缸接口強(qiáng)度的影響。圖9～圖11分別給出了熱態(tài)工況下汽缸垂向、軸向和橫向的位移云圖。圖12和圖13分別給出了熱態(tài)工況下上、下缸管口的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，熱態(tài)工況下汽缸管口的等效應(yīng)力均滿足汽缸強(qiáng)度設(shè)計要求。

表3 計算分析工況

圖9 熱態(tài)工況汽缸垂向位移云圖

圖10 熱態(tài)工況汽缸軸向位移云圖

圖11 熱態(tài)工況汽缸橫向位移云圖

圖12 熱態(tài)工況汽缸上半缸應(yīng)力云圖

圖13 熱態(tài)工況汽缸下半缸應(yīng)力云圖

3.2 MSR接口載荷校核

與汽缸類似，再熱管道也會對MSR的接口施加一定的載荷。這些載荷會影響MSR接口的強(qiáng)度，因此需要對各工況下的載荷進(jìn)行校核，以保證MSR接口強(qiáng)度滿足設(shè)備要求。根據(jù)再熱管道應(yīng)力分析結(jié)果，將各工況下再熱管道施加到MSR接口處的載荷提交給相關(guān)設(shè)備制造方進(jìn)行校核。設(shè)備廠家對MSR主蒸汽進(jìn)出口接管管口以及其對應(yīng)筒體局部應(yīng)力、支座以及其對應(yīng)的筒體局部應(yīng)力進(jìn)行了校核，校核結(jié)果均滿足要求。

4 結(jié)論

本文介紹分析了國核壓水堆示范工程再熱管道的布置方案，通過分析，得出以下結(jié)論：

（1）再熱管道管系應(yīng)力滿足ASME B31.1規(guī)范要求；

（2）管道中膨脹節(jié)變形量可以滿足所有工況要求；

（3）管道支吊架、阻尼器的位移和載荷均在合理的范圍內(nèi)，土建結(jié)構(gòu)滿足載荷要求；

（4）汽缸接口載荷滿足汽缸穩(wěn)定性以及汽缸接口強(qiáng)度要求；

（5）MSR接口載荷滿足MSR接口強(qiáng)度要求。

綜上所述，國核壓水堆示范工程再熱管道布置方案可以滿足工程需要。

[1]ASME B31.1-2007,Pow er Piping[S].2007

[2]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京:中國石化出版社, 2010

[3]中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊:第二卷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007

Analysis of Piping Arrangement of Reheat Pipe of State Nuclear Power PWR Dem onstration Project

Gao Hongxi，Qin Chongyang，Yang Hui，Li Xibin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Reheat piping arrangement of state nuclear power PWR demonstration projectwas introduced.Then the pipe stress analysiswas carried out,and the piping force acting on the nozzle of HIP casing and MSR was checked.The result showed that the piping arrangement could meet the requirements of the project.

reheat pipe,MSR,HIP casing,expansion joint,load

TK262

：A

：1674-9987（2014）03-0005-06

高宏喜 （1975-），男，碩士，高級工程師，1997年畢業(yè)于西安交通大學(xué)渦輪機(jī)專業(yè)，東方汽輪機(jī)有限公司產(chǎn)品開發(fā)處核電室主任，一直從事汽輪機(jī)設(shè)計工作。