管道瞬態(tài)泄壓載荷的力學(xué)分析研究

摘要：壓力管道瞬態(tài)泄壓發(fā)生在事故工況，是核電站安全分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)。理論上瞬態(tài)泄壓載荷會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，會(huì)導(dǎo)致管線振動(dòng)變大，甚至造成管線損壞，本文對(duì)某核電項(xiàng)目泄壓箱管線的計(jì)算單元建立管道系統(tǒng)模型，根據(jù)ASME[1]規(guī)范B31.1節(jié)計(jì)算出瞬態(tài)泄壓載荷，經(jīng)PIPESTRESS軟件進(jìn)行力學(xué)分析，得到瞬態(tài)泄壓載荷對(duì)管線系統(tǒng)的應(yīng)力比。通過合理布置管道和支架，能使管系在事故工況下，滿足RCC-M[2]規(guī)范應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則要求。

關(guān)鍵詞：?壓力管道;瞬態(tài);泄壓;力學(xué)分析;事故工況

引言

核電廠管道力學(xué)分析中，通常對(duì)管道內(nèi)流體瞬態(tài)變化產(chǎn)生的載荷通常沒有考慮，根據(jù)流體瞬態(tài)變化的產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng)管道內(nèi)流速瞬間變大、壓力波突變嚴(yán)重時(shí)，該載荷對(duì)管道的沖擊力很大，可能會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力并導(dǎo)致管線振動(dòng)甚至損壞。因此瞬態(tài)泄壓載荷屬于偶然載荷，需要在事故工況進(jìn)行考慮。本文通過實(shí)例模擬流體泄壓瞬態(tài)下產(chǎn)生的載荷對(duì)管道的作用力，進(jìn)而對(duì)管線采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，確保了重要管線的完整性和安全性，并滿足RCC-M規(guī)范要求。

泄壓箱管線系統(tǒng)的實(shí)例分析

2.1管道系統(tǒng)模型

采用PIPESTRESS軟件進(jìn)行力學(xué)分析，該軟件功能強(qiáng)大，作為專業(yè)的管道力學(xué)分析軟件，操作簡單，易于掌握，可以快速地進(jìn)行管道應(yīng)力分析。

該泄壓箱管線系統(tǒng)中，管道系統(tǒng)由泄壓箱、排放管線和爆破盤組成。泄壓箱管線模型如圖1 中所示。兩根排放管線的布置一致，因此取其中一個(gè)管線進(jìn)行模型簡化分析。管道系統(tǒng)分析模型如圖2 中所示。

設(shè)置管道支撐時(shí)，既要考慮足夠的柔性以吸收管道熱膨脹和收縮，也要考慮足夠的剛性以承受動(dòng)載荷的作用和配合土建的安裝。應(yīng)用軟件的快速應(yīng)力分析功能，計(jì)算出泄壓箱管線系統(tǒng)在各種載荷作用下的應(yīng)力值，以此來調(diào)整管道支撐的合理布置方案。根據(jù)自重內(nèi)壓、熱膨脹、地震及瞬態(tài)載荷的結(jié)果調(diào)整支架或阻尼器的數(shù)量和位置。通過反復(fù)地驗(yàn)算和調(diào)試，合理布置泄壓箱管線系統(tǒng)的管道支撐，以保證管道系統(tǒng)具有足夠的柔性和剛性。

2.2力學(xué)分析

泄壓箱管線系統(tǒng)在核電廠壽命期內(nèi)所承受的載荷有：自重、熱膨脹、內(nèi)壓、地震和瞬態(tài)泄壓載荷。其力學(xué)分析方法[3]如下。

2.2.1 靜力學(xué)分析

泄壓箱管線系統(tǒng)所承受的靜載荷有：自重、熱膨脹以及內(nèi)壓。

自重

采用在豎直方向施加加速度的方法模擬自重載荷。

熱膨脹與內(nèi)壓

對(duì)于核電廠的 4 類工況，分別定義不同管段的溫度值和壓力值。程序?qū)⒏鶕?jù)管道熱膨脹系數(shù)計(jì)算所產(chǎn)生的膨脹位移和膨脹應(yīng)力，同時(shí)根據(jù)公式計(jì)算出由內(nèi)壓引起的管道應(yīng)力。

2.2.2動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

泄壓箱管線系統(tǒng)所承受的動(dòng)載荷有： 地震和瞬態(tài)泄壓載荷。

1）地震

泄壓箱管線系統(tǒng)在核島廠房內(nèi)，在支架約束處輸入樓層的地震反應(yīng)譜，來計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的地震響應(yīng)。

2）瞬態(tài)泄壓載荷

在ASME規(guī)范中對(duì)管道瞬態(tài)排放力的描述：管道內(nèi)流體的快速流動(dòng)會(huì)對(duì)排放管道產(chǎn)生一定的作用力，通過排放管道傳至安全閥，并以力矩的形式通過管道作用在安全閥的設(shè)備或管道接口，以保證安全閥進(jìn)出口管道及其他設(shè)備的安全。

管道瞬態(tài)作用力大小與安全閥的開啟時(shí)間，流體壓力及管道流通面積有關(guān)，則瞬態(tài)泄壓對(duì)管段的作用力公式為

在對(duì)應(yīng)工況下將泄壓管線隨時(shí)間變化產(chǎn)生瞬態(tài)泄壓管段作用力施加在泄壓點(diǎn)和彎頭連接處。根據(jù)作用力公式，計(jì)算得到瞬態(tài)泄壓載荷如圖3所示。文中利用PIPESTRESS 軟件的時(shí)程分析功能進(jìn)行瞬態(tài)載荷計(jì)算。

3應(yīng)力評(píng)定

根據(jù)RCC-M規(guī)范的要求，對(duì)管道在設(shè)計(jì)、正常、擾動(dòng)、緊急和事故工況下分別進(jìn)行應(yīng)力組合[4]。泄壓箱管線系統(tǒng)屬于RCC-M核二級(jí)管道，使用C3600進(jìn)行評(píng)定。管道應(yīng)力分析結(jié)果見表1。

4?設(shè)備接管載荷評(píng)定

由于緊急和事故工況下施加了瞬態(tài)泄壓載荷，該工況下設(shè)備接管載荷比其他工況要大許多，泄壓箱管口處的接管載荷結(jié)果見表2。經(jīng)過設(shè)備核算，泄壓箱的接管載荷與限值的最大比為，滿足要求。

5 結(jié)語

經(jīng)過分析，泄壓箱管線系統(tǒng)在承受自重、壓力、熱膨脹、地震、瞬態(tài)泄壓載荷作用下，均滿足RCC-M規(guī)范應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則和設(shè)備接管載荷限值要求。整個(gè)分析過程采用了先進(jìn)的分析工具，并對(duì)瞬態(tài)泄壓載荷的計(jì)算進(jìn)行了說明，為后續(xù)項(xiàng)目管道計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] ASME B31.1-2010， Power Ping?[S]， New York： ASME， 2009： 12

[2] RCC-M.壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（2007版）[S]

[3] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國石化出版社，2003.

[4] 艾紅雷等.核電廠主管道事故工況載荷組合合理性研究[J].成都：核動(dòng)力工程，2016.

徐中華（ 1982 -） ，男，工程師，主要從事核級(jí)管道設(shè)備力學(xué)分析工作