反應堆冷卻系統主管道研究范文

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《核動力工程雜志》2014年第三期

1分析準則

疲勞和應力的驗收準則主要采用ASME規范NB-3600（98版），其應力和疲勞的驗收準則見表1。表1中各式形式如下：假定管道部件作為承壓邊界，其主要失效特征為環向應力引起的塑性垮塌，即由于缺陷存在而產生一個軸向裂紋擴展趨勢。為了控制環向應力作為靜載荷引起管道失效，應當首先校核環向應力以保證滿足相當的管道壁厚要求；滿足要求后再分別校核一次應力強度要求，一次加二次應力強度范圍要求（若不滿足還應當采用簡化的彈塑性不連續性分析），通過計算峰值應力強度范圍從而評價疲勞強度，以及關于熱棘輪效應的安定性評價。

2管道熱瞬態分析

用于疲勞分析的管道瞬態主要包含RCS的壓力、管道內流質流動的速度以及瞬態的溫度。這些都是基于時間遞增可擬合得到的函數曲線。

2.1主管道內的對流換熱對于管內單向流動的情況，其對流換熱系數可以用Seider-Tate關系式計算（適用范圍是0.7＜Pr＜120；Re＞10000；L/D＞60）[4]，如式（8）所述。在各瞬態列表中看到的溫度只是冷卻劑的實時溫度，該溫度將通過飽和單相流熱交換的方式傳遞到主管道內壁。通過對主管道內表面對流換熱過程的研究可以看到，當確定了管道尺寸和流質特性等方面因素后，管道內對流換熱的系數將成為一個與流體流速v相關的函數，主要通過表征管道內流體流通的狀態，即Re來影響對流換熱系數的取值。當流速上升，管道內流體更多地體現為層流特征，同理當流速下降時（Re過小）則更多地表現出自然對流產生的內表面湍流，在研究對流換熱的過程中需要區別對待各種瞬態，然而大多數RCS瞬態將適用于Seider-Tate關系式。

2.2熱瞬態分析時間積分與時間步長為了保證時間積分與時間步長Δt的合理性，一般在計算過程中使用2種無量綱的因子Biot數（Bi）和Fourier數（Fo）來確定時間步長。Bi是不考慮尺寸的熱阻對流和傳導比例因子。

2.3沿管道壁厚方向溫度場的求解在有限元求解的時候，為了求得沿壁厚的溫度分布，將模型建成一個同心圓平面，在內圓面上施加流體的對流換熱系數和流體溫度。考慮到主管道的外部包著隔熱材料，因此保守認為管道外部為絕熱，且初始溫度設定為設計運行溫度。即把整個模型設置成為溫度內低外高的散熱過程。之前已經介紹過，有限元分析后處理的目的在于提取1T和2T供本文第2節所述的公式計算使用。通過計算，在每一個瞬態時刻的溫度分布范圍均可以用一個函數Ty來表示（圖1），溫度分布范圍可以分成3部分：在疲勞計算中需要提取的是1T（令1T=V）和2T。這在后處理中可以通過管道壁厚方向定義路徑，提取到離散節點的y值和對應的溫度，進而進行積分求解。1T的計算得到的值也適用于ASMENB-3653.7熱棘輪效應的影響校核，許用線性部分的溫差1T應當不超過本文式（7）中規定的數值。同時應當注意到，根據NB-3611中的要求，在NB-3200中允許采用1.5Sm來替代公式（7）中的Sy值來進行熱棘輪的安定性評價。考慮到NB3600的應力計算結果能夠被NB3200所包絡，而通常NB3600的公式法結果更為保守，本文在最小壁厚的迭代過程中采用的是NB3600的有關論述。

3計算流程

主管道疲勞分析的核心內容為沿壁厚方向的溫差分布，即熱瞬態分析。依據ASMEBPVCode第三卷NB分卷管道設計部分的內容，求解最小壁厚的流程如圖2所示。以此為依據，采用循環累加的方法得到最小壁厚，該值可為以后可能出現的主管道壁厚減薄的情況提供審評依據。在求解主管道最小壁厚的過程中采用了優化算法，即設定一個目標函數以及多個等式或不等式邊界條件，讓目標函數趨近邊界以得到最優解。流程展現了整個求解的思路和算法實現過程中的邏輯過程。具體的計算過程可以通過多種計算機語言實現。本文采用FORTRAN95語言編程實現標準規范公式法應力分析計算、疲勞雨流法計數和瞬態疊加的過程。在溫度瞬態的計算過程中，則采用ANSYS表參數的方式對瞬態過程進行輸入（輸入參數包括各瞬態下的冷卻劑溫度、RCS的壓力、流速），進行求解和后處理，將溫度結果導入FORTRAN95編寫的程序進行處理。雖然在核電的設計過程中不主張采取最優解的方法，但是本算例中的邊界條件完全依據成熟且保守的標準規范，這些計算方法、參數選取、材料等均保守可接受。此外邊界條件不牽涉制造、安裝和檢驗過程中的技術條件，僅專注考慮在設計強度指標中的要求。因此在材料和制造等環節質量能夠保證的前提下這種求解最值的方法是可靠的。

4結束語

本文從標準規范的要求出發，對管道分析的應力、疲勞和熱棘輪情況進行了總結，采用有限元熱瞬態分析代替有限差分方程來求解標準規范計算中需要的沿壁厚線性溫度分布和非線性溫度分布情況，同時采用優化方法進行迭代循環以不斷趨近于能夠滿足ASME規范要求的最小壁厚值。本項研究可為管道設計、制造和安裝過程中出現的偏差或不符合項提供參考，為安全審評提供依據。

作者：周舟孟少朋包捷 單位：機械科學研究總院核設備安全與可靠性中心