1.中国核电工程有限公司 北京 100840 摘要：本文所计算高温管道工况多样，管道应力状态复杂。为了保证此管道系统能够正常运行，在设计上必须保证该系统管道的应力评定能够满足ASME规范要求。本文首先借助管道分析软件PIPESTRESS对高温管道系统的布置设计进行了初步分析与评定，并分析了应力与位移过大的原因，其次，结合高温管道本身的特点探究优化设计方法，通过布置调整，降低了管道在各个工况下的应力并使其满足规范要求；最后，通过对高温管道的应力的分析与评定，掌握了此类问题的解决方法与优化设计思路，为今后的工程提供参考。 关键词：高温管道；ASME规范；应力分析与评定；优化设计 1.引言 核电站中的管道在内压、自重、温度、地震等多种内外载荷作用的下的应力状态是复杂的，一个完善的管道系统需要保证管道有足够的强度满足规范要求，保证足够刚度，承受各种工况载荷产生的变形。对管道进行应力分析，是通过计算得到管道在各种载荷作用所承受的力、力矩和应力，从而做出对于管道安全性的评价，保证管道自身与其所连接的设备，支承以及其它部件的安全。本文的研究目的是对某堆型核电站中高温管道的进行应力评定，使整个管道系统的应力评定能够满足ASME规范要求。 本文评定的高温管道在正常情况下并不工作，环境条件温度不超过50℃，仅在发生事故时运行，而此时的设计温度超过了320℃，并需保证在此工况下的功能性，这样就同时增大管道热膨胀与地震应力的评定通过的难度，管道大部分位置很难进行布置修改以及支架调整，而且还有很多其他限制条件（无法布置阻尼器等），需要对其有限的局部管道上进行仔细地分析和反复地修改，做出合理的调整，这不仅是一项工作量大的工作，而且是一项极具难度的工作。 本文首先采用型有限元分析软件PIPESTRESS对高温管道进行计算与评定，得到初步结果。其次探究降低应力的手段，并对管道的设计进行修改，使整个管道系统满足规范要求。 2 高温管道的应力评定 2.1 应力评定准则 为保证管道系统能够正常运行，其管道应力需要满足ASME规范要求[1]。文中所计算的管道管线均按ASME规范中三级管道的评定规范进行计算和评定，表1给出了管道在各载荷工况下需要满足的ASME准则中各公式所对应的许用应力极限，表2给出管道在事故工况下要保持其功能性的需用应力极限。B级准则中的地震载荷为OBE地震载荷，D级准则中地震载荷为SSE地震载荷。表1与表2中的Sh代表所考虑的载荷相对应温度下的材料许用应力，Sy代表所考虑的载荷相对应温度下的材料屈服强度，Sa代表针对热膨胀的许用应力极限，Sa=f（1.25 Sc + 0.25 Sh），其中Sc是最低（冷态）下的材料许用应力，f 取1。 表1 ASME III 3级管道许用应力极限
注：1）当热膨胀应力超过1.0Sa时，即没有满足公式（10a）的要求，可用公式（11）继续校核热膨胀应力与自重应力之和是否小于1.0（Sh+Sa），如满足公式（11），则此工况热膨胀应力满足规范要求。 表2 ASME III 3级管道功能性评定许用应力极限
2.2 管道应力分析及评定 本文利用PIPESTRESS 软件进行建模，得到初始模型如图1所示，管道主管沿Y方向，支管沿X方向。各管线参数见表3，管道的材料为ASME规范中的SA-312 TP304L。管道的地震分析中采用单层反应谱法进行分析，计算中使用电气厂房标高24.95 m、阻尼比2%的反应谱。通过计算得到各工况下的结果见表4和表5，表4给出管道每个ASME方程的最大计算应力；表5给出管道功能性校核要求的公式的验证结果。可以看出，二次应力管道功能性评定结果远远超出准则要求。因此，评定得出的结论为：该管道的应力评定不符合ASME规范的要求，需要进行修改。 此外，管道位移如图2中细线所示，根据计算结果，主管自由端处沿+Y方向热膨胀位移达到了308mm，而支管随主管的热膨胀导致的横向位移也超出了现场施工允许的范围，为了满足现场施工的要求，需要尽可能的降低管道位移。 表3 管线参数表 图1 管道模型图 表4 管道最大计算应力
表5 管道功能性评定最大计算应力 图2 管道位移结果图 3 高温管道的优化设计 3.1 管道应力过大原因分析 为了进行管道布置修改，首先对导致各工况应力过大的原因进行分析，在初步分析中，仅二次应力结果不满足规范要求，而在本次计算中，二次应力为热膨胀载荷造成的，由此可得在初步计算分析中，导致计算模型没有达到规范要求的工况为热膨胀工况。 温度变化造成管道热膨胀冷缩导致的热膨胀应力，和管道热位移、管径、壁厚、管道布置走向、温度高低等多种因素相关，原因复杂。但是大部分都是由于温度过高与管道柔性不够造成的。本次计算的高温管道模型，主管过长，加之支管上的各种刚性支架的约束，导致膨胀位移释放受到限制，进而造成整个管道很多区域的热膨胀应力都非常大。如果减少刚性支架，虽然可以降低热膨胀应力，但是会导致地震应力过大，以及进一步增大管道的位移。所以调整布置的方向是在首先控制管道位移的前提下，降低热膨胀应力。在工程中，膨胀节可以实现这一功能，为了保证6个支管的横向位移都能降低，需要搭配3-6个膨胀节，但现场施工环境不一定满足膨胀节的安装要求，膨胀节的抗震性能也要进行专门的计算，这样会造成设计时间上的极大浪费，结合16寸管道膨胀节高昂的采购价格，这种修改方法消耗大量的经济、人力、时间成本，应该寻求一种更加经济性的优化设计。 3.2 π型弯对热膨胀应力的影响 在工程中，对于热膨胀应力过高的直管，可以通过设置π型弯的方法增加管道的柔性，降低热膨胀应力[2-5]，这在其他工程的计算评定中得到了应验[6-7]。 采用PIPESTRESS软件建立两个π型弯管道模型（如图3所示），模型中π型弯两端被固定支架所约束。管道材料性质与2.2节中的高温管道相同，两个模型中π型弯的深度不同。对327 ℃下两个模型热膨胀应力进行计算，计算结果见表6。 图3 T字管道模型 表6 不同深度π弯的热膨胀应力
由表6可以看出，越深的π型弯可以更有效降低热膨胀应力，由于该计算模型π型弯的两端的固定支架可以直接限制管道的位移，而因为位移受限导致过大的热膨胀应力可以通过π型弯吸收，所以在高温管道系统中，通过设置固定支架与足够深度的π型弯的组合方式即可解决热膨胀应力过大与管道位移过大的问题。然而在施工现场，过深的π型弯可能会影响人员通行与其他管线的布置。所以为了保正π型弯可以吸收足够的热膨胀，且减少对空间使用造成的影响，在合适的区域可以使用斜π型弯，将π型弯自由的伸入可以利用的区域，如图4所示，在只能在管道下方1000mm范围内做π型弯的情况下，45°的斜π弯深度可以达到1414mm，这样更有利于热膨胀的吸收。 固定支架+π型弯的这种修改方法相对于使用膨胀节，节省了大量时间成本和经济成本，是非常合适的优化设计。 图4 斜π弯的布置 3.3 管道的布置修改 结合3.2节的结论，在工程中合适的区域设置若干π型弯与固定支架，经过修改后的模型如图5所示 图5修改后的模型 修改前后的管道的核一级管道部分的热膨胀应力见表7，从表中数值可知修改后热膨胀应力下降明显，满足了规范的要求。 表7管道功能性评定（二次应力）最大计算应力结果的对比（单位：MPa）
通过对管道布置的调整过程发现：但管道的热膨胀应力与位移过大时，需要首先借助于现有的工具分析原因，然后找到对应的位置，通过调整支架或者降低管道的刚度来降低热膨胀应力并限制位移，降低刚度的方法有多种，但是要结合实际情况来进行修改，本文中针对工程成本的考虑，采取了固定支架与π型弯结合的方法对管道布置进行修改，这种设计方法相对于使用膨胀节的方法节省了大量的经济成本与时间成本，是一种很有效的优化设计，可以为今后的类似的工程提供设计经验。 4 结论 利用PIPESTRESS软件，对高温管道进行了应力分析与评定，并分析总结了π型弯头深度对管道热膨胀应力的影响。通过固定支架与π型弯头的组合方式，对未能通过应力评定的管道布置进行了分析和调整，对设计进行了优化。突破了各个难点。总结了此类问题的解决方案，为今后的工程应用提供借鉴与参考。 参考文献： [1]ASME 规范2019年版. [2]刘贺同，高齐乐，党俊杰.ACP1000堆型RVD系统中不同核安全级别管道应力分析与评定[J].装备环境工程，2019，2：54-59. [3]OLEG K.Parametric Study of Flexibility Factor for Curved Pipe and Welding Elbows[C].Transactions SMiRT-22.San Francisco，California，2013. [4]孙亚春.管道柔性设计-自然补偿浅谈[J].化学工程与装备，2014（1）：96-100. [5]宁庆坤，田金梅.二代改进型核电站管道系统分析与评定[J].核技术，2013（4）：040612-1. [6]唐永进.压力管道应力分析[M].中国石化出版社，2009 [7]唐永进.压力管道应力分析的内容及特点[J].石油化工设计，2008，25（2）：20-24. [8]刘树斌.设备与管道力学分析设计手册[M].北京：核工业第二研究设计院，2003.