鄭洪宏 陳 健 鄒成超 楊 茜

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

CPR1000穩(wěn)壓器波動(dòng)管連接在反應(yīng)堆冷卻劑主管道熱段和穩(wěn)壓器之間，緩沖一回路冷卻劑熱震蕩及水錘效應(yīng)的波動(dòng)，保證主回路工作壓力穩(wěn)定。該型穩(wěn)壓器波動(dòng)管分為4段制造，水壓試驗(yàn)在波動(dòng)管相鄰管段相互組焊后、與穩(wěn)壓器和主管道熱段焊接之前，焊接上水壓試驗(yàn)封頭以后進(jìn)行。

CPR1000穩(wěn)壓器波動(dòng)管各管段組焊后的總展開(kāi)長(zhǎng)度約為19 612 mm，含4條對(duì)接焊縫，水壓試驗(yàn)不允許出現(xiàn)任何冒汗或滲漏，不可出現(xiàn)異常聲響和可見(jiàn)變形。由于水壓試驗(yàn)要求嚴(yán)格，試驗(yàn)壓力大，封頭選用不當(dāng)可能會(huì)發(fā)生安全事故。因此波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭既要起到封堵波動(dòng)管管線兩端不滲漏的作用，又要保證在水壓試驗(yàn)壓力下，材料不產(chǎn)生變形。討論了穩(wěn)壓器波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度計(jì)算。

1 水壓試驗(yàn)封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以陽(yáng)江核電廠5、6號(hào)機(jī)組穩(wěn)壓器波動(dòng)管為例，講述波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭的設(shè)計(jì)及研究。波動(dòng)管為RCC-M 1級(jí)、質(zhì)保等級(jí)Q1級(jí)設(shè)備，公稱直徑為14 in(1 in=25.4 mm)，外徑為355.6 mm，壁厚35.71 mm，采用直管分段鍛造后冷彎成形。波動(dòng)管的設(shè)計(jì)壓力為17.23 MPa，設(shè)計(jì)溫度為360℃，水壓試驗(yàn)壓力為25.85 MPa，水壓試驗(yàn)溫度為室溫(>0℃)

1.1 結(jié)構(gòu)選擇

常用受內(nèi)壓的封頭型式有凸形封頭、平蓋、錐形封頭、盲板法蘭等。封頭與管道的連接形式有：與管道成一體或與管道對(duì)接、與管道角焊或其他焊接、螺栓連接等。根據(jù)波動(dòng)管安裝總圖及管段圖和設(shè)備規(guī)格書(shū)，對(duì)封頭型式進(jìn)行選擇。從受力角度分析，半球形封頭受力最均勻，橢圓形封頭、蝶形封頭、球冠形封頭等次之，平蓋受力較差；從制造角度分析，平蓋制造最簡(jiǎn)單，橢圓形封頭、蝶形封頭、球冠形封頭等次之，半球形封頭制造最難。結(jié)合波動(dòng)管管道特點(diǎn)，考慮安全因素及現(xiàn)場(chǎng)操作便利，波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭選用平蓋結(jié)構(gòu)?？紤]到水壓試驗(yàn)過(guò)程需接壓力表等儀器，平蓋頂部開(kāi)通孔，根據(jù)儀表接口尺寸確定孔的大小，最終簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 波動(dòng)管水壓試驗(yàn)封頭簡(jiǎn)圖Figure 1 Hydraulic test head of surge line

1.2 封頭端部坡口設(shè)計(jì)

水壓試驗(yàn)封頭與波動(dòng)管本體對(duì)接焊接，其直段部分內(nèi)外徑與波動(dòng)管保持一致，壁厚與波動(dòng)管厚度相同。水壓試驗(yàn)封頭端部坡口采用與波動(dòng)管之間對(duì)焊接頭坡口一致的坡口型式，見(jiàn)圖2。

2 材料選用

陽(yáng)江核電廠5、6號(hào)機(jī)組穩(wěn)壓器波動(dòng)管材料為X2CrNiMo 18-12(控氮)，材料標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M M3321—2007《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》。該材料為奧氏體不銹鋼，防污染要求高，為避免鐵離子在不銹鋼表面形成電化學(xué)腐蝕，波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭同樣采用不銹鋼材料。按照RCC-M B2200的規(guī)定，反應(yīng)堆冷卻劑泵管道用承壓件包括管道及堵頭均應(yīng)滿足RCC-M M3301的規(guī)定。同時(shí)，考慮波動(dòng)管上焊接的溫度計(jì)測(cè)量管座材料為Z2CND18-12(控氮)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及制造成本，最終選用Z2CND18-12(控氮)鍛件，材料標(biāo)準(zhǔn)為RCC-M M3301《1、2、3級(jí)設(shè)備用奧氏體不銹鋼鍛件》。該材料化學(xué)成分及力學(xué)性能等均與波動(dòng)管用材料非常相近，可有效避免不銹鋼污染，增加封頭與波動(dòng)管的可焊性，同時(shí)也可節(jié)約制造周期及成本。

圖2 水壓試驗(yàn)封頭坡口型式Figure 2 Groove type of hydraulic test head

3 強(qiáng)度校核

波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為GB 150—2011《壓力容器》。平蓋型式選用GB 150.3—2011《壓辦容器 第3分部分 設(shè)計(jì)》中表5-10序號(hào)11，圓形平蓋簡(jiǎn)圖如圖3所示。封頭直邊部分與波動(dòng)管對(duì)焊，直邊厚度與波動(dòng)管相同。

圖3 圓形平蓋簡(jiǎn)圖Figure 3 Round flat head

根據(jù)GB 150—2011的規(guī)定，材料許用應(yīng)力[σ]取常溫下Rp0.21.5和Rm2.7的小值。

水壓試驗(yàn)封頭采用實(shí)際材料的力學(xué)性能指標(biāo)，即20℃下屈服強(qiáng)度為207 MPa，抗拉強(qiáng)度為517 MPa，許用應(yīng)力[σ]取Rp0.21.5和Rm2.7的小值，[σ]=138 MPa；屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度取RCC-M M3301標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)材料的下限值。平蓋上預(yù)留壓力表孔按?50 mm進(jìn)行計(jì)算。

3.1 平蓋厚度

平蓋厚度按下式計(jì)算：

式中，Dc為波動(dòng)管內(nèi)徑；K為平蓋系數(shù)，查GB 150—2011圖5-21；Pc為計(jì)算壓力，取水壓試驗(yàn)壓力值；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；該材料的腐蝕裕量為0。

在波動(dòng)管水壓試驗(yàn)封頭設(shè)計(jì)時(shí)，考慮各方面因素，確定平蓋厚度為55 mm，遠(yuǎn)大于計(jì)算的有效厚度45.8 mm，因此平蓋厚度為55 mm滿足水壓試驗(yàn)25.85 MPa壓力下的工作要求。

3.2 平蓋筒體厚度

平蓋筒體厚度按下式計(jì)算：

式中，Di為波動(dòng)管內(nèi)徑，取坡口處最大內(nèi)徑；Pc為計(jì)算壓力，取水壓試驗(yàn)壓力值；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；Φ為焊接接頭系數(shù)，Φ=1。

波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭直邊厚度35.7 mm，坡口處最小壁厚為31.75 mm，封頭直邊最小厚度31.75 mm，大于計(jì)算厚度30.1 mm，滿足水壓試驗(yàn)要求。

綜上所述，波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭各部位厚度均滿足水壓試驗(yàn)壓力下的工作要求。

4 有限元分析

由于該件水壓試驗(yàn)時(shí)承受壓力較高，結(jié)構(gòu)采用常規(guī)計(jì)算不易實(shí)現(xiàn)，因此采用ANSYS應(yīng)力分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確保水壓試驗(yàn)安全進(jìn)行。

圖4 應(yīng)力分析結(jié)果Figure 4 Stress analysis results

(1)位移邊界條件

波動(dòng)管底面(XOZ平面)：ΔY=0，即限制波動(dòng)管軸向位移；

對(duì)稱面XOY上加對(duì)稱約束邊界條件；

對(duì)稱面YOZ上加對(duì)稱約束邊界條件；

不限制波動(dòng)管底面徑向位移，允許波動(dòng)管底面在徑向可以自由膨脹。

(2)力邊界條件

內(nèi)表面受內(nèi)壓P=25.75 MPa。

在以上邊界條件下，應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖5 模型應(yīng)力線性化路徑Figure 5 Linearization path of model stress

路徑SⅠMPaSⅡMPaSⅢMPaSⅣMPa評(píng)定(K=1)結(jié)果A-A-67.75-179.3SⅡ<1.5[σ],SⅣ<3[σ]通過(guò)B-B-25.15-107.0SⅡ<1.5[σ],SⅣ<3[σ]通過(guò)C-C-58.03-128.9SⅡ<1.5[σ],SⅣ<3[σ]通過(guò)D-D-90.84-121.1SⅡ<1.5[σ],SⅣ<3[σ]通過(guò)注:K為載荷系數(shù),取值為1;SⅠ為一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度;SⅡ?yàn)橐淮尉植勘∧?yīng)力強(qiáng)度;SⅢ為一次薄膜(總體或局部)加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度;SⅣ為一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度。

根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))中應(yīng)力分類(lèi)及線性化的規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位進(jìn)行應(yīng)力線性化，模型應(yīng)力線性化路徑如圖5所示。

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，該波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭滿足水壓試驗(yàn)要求。

5 結(jié)論

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇以及強(qiáng)度校核等多方面，對(duì)特殊用途的核電穩(wěn)壓器波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了全面的分析。最終通過(guò)強(qiáng)度校核以及有限元分析，該波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭完全滿足水壓試驗(yàn)使用要求，可以保證水壓試驗(yàn)順利完成。波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭的設(shè)計(jì)達(dá)到了安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。該方法應(yīng)用于陽(yáng)江核電廠5、6號(hào)機(jī)組CPR1000波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭設(shè)計(jì)，同時(shí)也應(yīng)用于華龍一號(hào)防城港3、4號(hào)機(jī)組波動(dòng)管現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)封頭設(shè)計(jì)。