核島管道分級(jí)方法與計(jì)算

核島管道分級(jí)方法與計(jì)算摘要：本文研究和分析了某核電站核島管道等級(jí)的分級(jí)方法，對(duì)該電站Q1、Q2和Q3級(jí)管道的不同分級(jí)方法進(jìn)行了比較。文中重點(diǎn)分析了占該電站核島總管道數(shù)量70%的Q3、NC級(jí)管道的分級(jí)與計(jì)算方法，對(duì)該電站中Q3、NC級(jí)管道的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析并與中國相關(guān)的國標(biāo)進(jìn)行了比對(duì)，為后續(xù)相同堆型Q3、NC級(jí)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(jí)方法，對(duì)將來新機(jī)型設(shè)計(jì)中的管道分級(jí)也有著很好的指導(dǎo)和借鑒意義。關(guān)鍵詞：管道等級(jí)；管道分級(jí)；核島管道某核電站前言管道分級(jí)是指根據(jù)一定的規(guī)則，將管道按照設(shè)計(jì)溫度、壓力等各種條件分成不同的設(shè)計(jì)范圍（即等級(jí)），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(jí)對(duì)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(jì)性有著非常重要的意義。此外，管道分級(jí)也是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，良好的管道分級(jí)，能夠使管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、簡便化，從而減少設(shè)計(jì)周期、節(jié)約設(shè)計(jì)成本，在核電站的設(shè)計(jì)過程中起著重要的作用管道分級(jí)在大部分核電機(jī)型路線中，管道分級(jí)號(hào)在本質(zhì)上都是由管道規(guī)范等級(jí)、管道材料、管道磅級(jí)三部分組成。因此，管道分級(jí)的定義過程包含以下幾個(gè)重要內(nèi)容：確定管道的規(guī)范等級(jí)、選擇管道材料、在選定材料的基礎(chǔ)上通過強(qiáng)度校核計(jì)算選擇相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范中滿足要求的管道壁厚與管件等，從而確定整個(gè)管系的分級(jí)。核電管道分級(jí)的過程，主要需要確定管道的規(guī)范等級(jí)、管道材料、管道壁厚（承壓能力）。2.1管道的規(guī)范等級(jí)核電站核島管道被歸類于承壓機(jī)械設(shè)備，因此管道規(guī)范等級(jí)實(shí)質(zhì)為承壓機(jī)械設(shè)備的設(shè)備規(guī)范等級(jí)。本文某核電站核島管道按設(shè)備規(guī)范等級(jí)（管道質(zhì)量等級(jí)）的不同，分為Q1、Q2、Q3和NC級(jí)。2.2管道的材料管道物項(xiàng)材料的選取與管道承壓計(jì)算密不可分。指定了管道的具體材料牌號(hào)才能確定材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，進(jìn)而進(jìn)行管道承壓計(jì)算。本文某核電站設(shè)備管道的設(shè)計(jì)、材料與制造規(guī)范方面其規(guī)定如下：Q1級(jí)設(shè)備及管道必須按照RCC-M規(guī)范一級(jí)相關(guān)要求執(zhí)行；Q2級(jí)設(shè)備及管道可以按照RCC-M規(guī)范二級(jí)，或者ASMENC卷相關(guān)要求執(zhí)行；Q3級(jí)設(shè)備及管道可以按照RCC-M規(guī)范三級(jí)，或者核電站在建國的本國相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行。（即本文某核電站的Q3級(jí)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(jì)算當(dāng)管道的規(guī)范等級(jí)和材料確定后，確定管道分級(jí)的另一個(gè)重要內(nèi)容就是管道和管件的壁厚計(jì)算與校核，以確保其能承受設(shè)計(jì)中的溫度和壓力。出于經(jīng)濟(jì)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(gè)管道等級(jí)的壁厚，然后以選定的壁厚對(duì)各類管件進(jìn)行核算，不能滿足要求的管件，可以通過補(bǔ)強(qiáng)等措施彌補(bǔ)或重新調(diào)整整個(gè)管系的壁厚。本文某核電站管道壁厚的計(jì)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(jì)算公式為：整個(gè)管系的壁厚計(jì)算以直管為基礎(chǔ)。彎管和彎頭由于在彎制的時(shí)候彎曲處壁厚會(huì)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(jì)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(gè)壁厚值中的最大值為計(jì)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(jì)規(guī)范中管道標(biāo)準(zhǔn)壁厚序列進(jìn)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(jì)規(guī)范進(jìn)行核算，核算通過即可確定最終的管道壁厚與管道等級(jí)。管道分級(jí)方法的應(yīng)用本文某核電站核島設(shè)備制造、安裝、檢驗(yàn)等方面多執(zhí)行國外標(biāo)準(zhǔn)，因而在將來新機(jī)型的核島管道設(shè)計(jì)中，管道設(shè)計(jì)規(guī)范建議按以下原則選?。篞1、Q2級(jí)沿用國外RCC-M標(biāo)準(zhǔn)；Q3、NC級(jí)出于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的通用性，選用ASMEB31.1。Q級(jí)的定義可以直接等同或參考本文某核電站的機(jī)械等級(jí)M。在新機(jī)型的管道分級(jí)工作中，為滿足平行設(shè)計(jì)的要求，即在核島系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成前就進(jìn)行管道的分級(jí)工作，縮短設(shè)計(jì)周期，建議根據(jù)Q1、Q2與Q3、NC不同的特點(diǎn)，綜合成本以及安全考慮，對(duì)其采用不同的分級(jí)方法。Q1、Q2級(jí)管道分級(jí)本文某核電站中Q1、Q2級(jí)的管道數(shù)量相對(duì)較少，建議管道分級(jí)思路為先為各等級(jí)選取壁厚，計(jì)算各尺寸管道等級(jí)的管道承壓能力，對(duì)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(jìn)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(jí)管道的最大承壓能力。各管道等級(jí)的承壓能力，即溫度-壓力限值，計(jì)算完成后，即可由工藝系統(tǒng)管線的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、規(guī)范等級(jí)和材質(zhì)類別確定其管道等級(jí)。Q3級(jí)、NC級(jí)管道分級(jí)Q3和NC級(jí)核島管道的數(shù)量龐大，管道壁厚的選取對(duì)工程造價(jià)的影響較大，建議采用正向直接計(jì)算管道壁厚的方法。根據(jù)項(xiàng)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(gè)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(jì)溫度和設(shè)計(jì)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(yàn)工況下所需的壁厚值、制造負(fù)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(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力，按ASMEB16.5中溫度-壓力限值的0.9倍選取法蘭磅級(jí)最后根據(jù)規(guī)范等級(jí)、材料類別、以及前面所選的管道壁厚系列和法蘭磅級(jí)即可得到最終的管道等級(jí)。在對(duì)管道進(jìn)行計(jì)算時(shí)，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(gè)特殊的系列。3.3兩種分級(jí)方法比較上述3.1和3.2章節(jié)兩種分級(jí)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(jí)，然后根據(jù)溫度-壓力限值將管道放入這些等級(jí)中；Q3、NC則根據(jù)實(shí)際的工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定等級(jí)。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(jí)，并且管道等級(jí)數(shù)量較少，管道壁厚冗余量較大，安全性更高，但經(jīng)濟(jì)性稍差，需要根據(jù)后期實(shí)際的工藝參數(shù)對(duì)管道等級(jí)進(jìn)行適當(dāng)修正。Q3、NC推薦采用的方法優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)實(shí)際工藝參數(shù)確定管道等級(jí)和壁厚，管道等級(jí)不需進(jìn)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(diǎn)在于管道等級(jí)需要在工藝參數(shù)確定后才能確定，設(shè)計(jì)進(jìn)度上有影響，并且管道等級(jí)數(shù)量會(huì)比較多。3.4Q3、NC級(jí)管道的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)前面章節(jié)已經(jīng)介紹過，對(duì)本文某核電站項(xiàng)目Q3級(jí)、NC管道，設(shè)計(jì)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(jī)型項(xiàng)目推行自主化設(shè)計(jì)，對(duì)于Q3、NC級(jí)管道的材料及引用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮大量進(jìn)行國產(chǎn)化替代。經(jīng)分析本文某核電站項(xiàng)目，其Q3、NC級(jí)管道引用的不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)基本與我國的GB13475等效，管件尺寸公差及壁厚公差不會(huì)存在問題。同樣碳鋼管道也有相應(yīng)的等效標(biāo)準(zhǔn)。該核電站項(xiàng)目Q3、NC級(jí)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(duì)于個(gè)別差異可進(jìn)一步分析評(píng)估。材料國產(chǎn)化替代的一個(gè)難題是，不同溫度下的屈服和抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)的缺失，而這些數(shù)據(jù)這是壁厚計(jì)算確定許用應(yīng)力的關(guān)鍵數(shù)值。本文某核電站項(xiàng)目所引用的材料標(biāo)準(zhǔn)上述強(qiáng)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(diǎn)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)都會(huì)給出。如果采用國內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)，部分材料或許會(huì)缺失相應(yīng)的材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)，嘗試采用插值法通過計(jì)算來獲取相應(yīng)的數(shù)值，然后加以驗(yàn)證，也許是我們處理此類問題的一個(gè)思路，其合理性有待于進(jìn)一步研究?？偨Y(jié)合理的管道分級(jí)，能在保證管道安全功能的同時(shí)，大量節(jié)約材料成本和設(shè)計(jì)成本，進(jìn)一步研究國外核電站管道分級(jí)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(duì)于我們研發(fā)新機(jī)型的核島管道設(shè)計(jì)有著十分重要的意義，而應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的國產(chǎn)化，更將為我國帶來不可估量的利益。參考文獻(xiàn)：《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》RCC-M2007版；《動(dòng)力管道》ASMEB31.1-2010；⑶《管