陈力 李姗姗
中国核电工程有限公司郑州分公司 河南 郑州 450000
摘要：核电站中的核级管道力学分析协同优化是核电厂安全运行的重要保障，
在进行管道设计时需考虑其在自重、压力、热膨胀、地震等载荷作用下的应力强度及对管道进行支撑的支架、连接在管道系统中的的设备、阀门、仪表等的影响。管道应力分析部分包含静力和动力计算等，一般基于PIPESTRESS软件进行，依据压水堆核电机械设备设计和建造规则RCC-M或者美国机械工程师学会的ASME规范的相关章节对管道应力进行评定。本文基于核级管道力学分析协同优化设计方法研究展开论述。
关键词：核级管道；力学分析；协同优化设计；方法研究
引言
核电站中的核级管道的布置是否符合规范和设计要求，对确保核电厂安全、稳定、经济运行意义重大。而应力分析工作是验证管道是否符合规范和设计要求的重要方式。管道系统是由管道、管件、法兰、阀门、管道支架等组成。支架是承担重管道传递到支承结构或设备负载的重要元件。管道及管道布置上的其他元件受到外载荷作用过大时，管道及其元件可能发生断裂、爆破或者较大的变形，影响其正常工作。核级管道在核电站安全运行中起到更为重要的作用，验证核级管道及其元件不发生强度或者刚度破坏，并保证在满足其强度及刚度要求的前提下，优化结构布置设计，节省结构空间占用率，以最经济的设计选择合适的材料。
1核级管道分析理论
核级管道的应力分析主要包含静力分析和动力分析两部分。静力分析是在静力载荷的作用下对管道进行力学分析，静力分析包含压力、自重、热胀及端点附加位移等载荷作用下的应力计算，其分析的目的之一是为了保证管道有足够的柔性。动力分析是在地震、冲击等载荷作用下的管道的振动谐响应分析。工程应用中，核净管道的静力分析和动力分析是都要求计算，两者之间相互联系又相互制约，通过不同的载荷工况组合，计算出应力结果需小于相应工况的许用应力限值。
对核级管道进行模态分析，可以判断管道的刚性和柔性。模态越小，管道越柔，容易受外界影响使得管道发生振动。模态越大，管道刚性越好。当模态大于刚性截止频率时，动力分析部分可采用等效静力法进行计算。当模态小于截止频率时，动力分析部分一般采用谱分析法进行计算。
管道在静力载荷和动载荷组合作用下，在整个管路或某些局部区域产生不同性质的应力，根据应力方向和应力对管道破坏作用分类为：
1）根据应力方向课分为管道环向应力、管道轴向应力、管道径向应力和管道剪切应力。
2）根据应力对管道的破坏作用可分为一次应力、二次应力和峰值应力。
2 PIPESTRESS软件概述及计算模型建立
在核电工程设计中，对核级管道进行力学计算时需要对管道系统进行合理的模型简化并确定计算边界条件，一般基于PIPESTRESS软件对管系进行建模计算。PIPESTRESS软件是出色的可用于核工业和非核工业的三维管道系统有限元分析软件，是针对管道系统进行力学计算和分析的专业软件。可进行多种载荷条件下的三维管道系统线弹性分析，并提供对结构、支撑 (支吊架 )、 热 、疲劳等全面分析功能。其后处理模块包含了完整的国际通用的核工程管道设计规范。能完全满足ASME/RCC-M规范。也具有计算热疲劳、谱分析或计算时程分析的刚性截止频率等先进功能。
PIPESTRESS软件被法国EDF用于EPR堆的管道设计分析，被美国西屋公司用于AP1000管道力学分析，同时也被美国和法国用于核潜艇等的管道力学分析中，以其强大的力学分析能力获得国际上各相关机构的认可。
根据上游专业提供的管道布置图，确定管道的材料、温度、压力等参数，并需确定计算边界条件，管线中各种支架的位置、功能、标高等，设备的位置。
采用PIPESTRESS软件对整个计算边界内的管道、设备、阀门、支架等进行离散简化建立有限元计算模型，确定有限元模型的坐标轴向与反应谱加速度方向的对应关系。
管道应力评定规范讨论
各核电站对管道力学分析技术要求使用规范并不一致，根据相应的技术要求通常为压水堆核电机械设备设计和建造规则RCC-M或者美国机械工程师学会的ASME规范的相关章节对管道应力进行评定。
1)根据RCC-M规范或ASME规范要求，核级管道计算时各载荷工况组合需要满足的相应规范要求的使用限制情况列表如下：
载荷组合 评定准则级别
设计压力+自重 O级
运行压力+自重+热膨胀 A级
运行压力+自重+SL-1地震 B级
运行压力+自重+SL-2地震 C级/D级
根据管道系统的抗震类别来确定核级管道评定时在运行压力、自重、SL-2地震载荷组合作用下的评定准则。当核级管道系统的抗震类别为1F时，要求管道系统在经受极限安全地震动（SL-2）载荷作用下要求保证其结构完整性（即不丧失密封性）的那些设备和部件，此时采用C级准则评定。当核级管道系统的抗震类别为1I时，要求管道系统在经受极限安全地震动（SL-2）载荷作用下要求保证其功能的设备和部件，此时采用C级准则评定。
2）根据RCC-M相应准则级别的许用限制对各载荷组合工况下的计算结果进行应力评定。此部分计算结果是分别计算了管道自重、压力、热膨胀、地震载荷作用下的应力，支架受力，仪表阀门类受力、设备受力等情况，并列出支架、仪表阀门及设备处相应载荷，供其他相关专业参考使用。
3）当各载荷组合工况下的应力结果小于相应准则下的许用使用限制时，则该核级管道应力强度满足RCC-M相关规范要求。当各载荷组合工况下的应力结果大于相应准则下的许用使用限制时，该核级管道应力强度不满足RCC-M相关规范要求。当管道应力强度不满足规范要求时，需和管道布置设计者沟通，根据管道上应力最大位置及造成该应力较大的原因对管道布置结构进行协同优化设计调整，直到计算结果满足相关规范要求。
4 核级管道布置中力学分析优化的意义
随着社会的发展和生活水平的提高，能源需求的增加和能源消耗的增加，世界面临着能源危机和传统能源消耗造成的污染等重大问题。核电站的安全运行至关重要，因为核电与被称为世界能源三大支柱的火力和水力一起，在世界能源结构中发挥着至关重要的作用。核级管道布置中力学计算可以有效检验管道设计的合理性，只有管道设计符合施工要求才可以进行下一步的管道布置施工。如果不符合，则需要对其进行重新定位，重新验证，直到找到最佳优化设计结构方案。只有这样才能最大限度的避免后期安全事故的发生。因此，核级管道布置中力学分析协同优化是必不可少的一个重要环节。
结束语
本文通过对核级管道力学分析理论、软件建模计算、依据规范及力学分析协同设计优化的意义展开讨论，简单描述了核级管道计算的流程及注意事项。可以看出，在核电站工程中，管道力学计算分析是核级压力管道设计的重要内容，它对核级管系本身及与其相连的设备、法兰、阀门、仪表、土建结构等的安全都有重要意义。应用PIPESTRESS软件进行应力分析与评定，不仅可以保证核级管道系统的安全，而且可以优化设计，在核电厂的监造和运行中起到重要的作用。
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