反应堆冷却系统主管道研究范文

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《核动力工程杂志》2014年第三期

1分析准则

疲劳和应力的验收准则主要采用ASME规范NB-3600（98版），其应力和疲劳的验收准则见表1。表1中各式形式如下：假定管道部件作为承压边界，其主要失效特征为环向应力引起的塑性垮塌，即由于缺陷存在而产生一个轴向裂纹扩展趋势。为了控制环向应力作为静载荷引起管道失效，应当首先校核环向应力以保证满足相当的管道壁厚要求；满足要求后再分别校核一次应力强度要求，一次加二次应力强度范围要求（若不满足还应当采用简化的弹塑性不连续性分析），通过计算峰值应力强度范围从而评价疲劳强度，以及关于热棘轮效应的安定性评价。

2管道热瞬态分析

用于疲劳分析的管道瞬态主要包含RCS的压力、管道内流质流动的速度以及瞬态的温度。这些都是基于时间递增可拟合得到的函数曲线。

2.1主管道内的对流换热对于管内单向流动的情况，其对流换热系数可以用Seider-Tate关系式计算（适用范围是0.7＜Pr＜120；Re＞10000；L/D＞60）[4]，如式（8）所述。在各瞬态列表中看到的温度只是冷却剂的实时温度，该温度将通过饱和单相流热交换的方式传递到主管道内壁。通过对主管道内表面对流换热过程的研究可以看到，当确定了管道尺寸和流质特性等方面因素后，管道内对流换热的系数将成为一个与流体流速v相关的函数，主要通过表征管道内流体流通的状态，即Re来影响对流换热系数的取值。当流速上升，管道内流体更多地体现为层流特征，同理当流速下降时（Re过小）则更多地表现出自然对流产生的内表面湍流，在研究对流换热的过程中需要区别对待各种瞬态，然而大多数RCS瞬态将适用于Seider-Tate关系式。

2.2热瞬态分析时间积分与时间步长为了保证时间积分与时间步长Δt的合理性，一般在计算过程中使用2种无量纲的因子Biot数（Bi）和Fourier数（Fo）来确定时间步长。Bi是不考虑尺寸的热阻对流和传导比例因子。

2.3沿管道壁厚方向温度场的求解在有限元求解的时候，为了求得沿壁厚的温度分布，将模型建成一个同心圆平面，在内圆面上施加流体的对流换热系数和流体温度。考虑到主管道的外部包着隔热材料，因此保守认为管道外部为绝热，且初始温度设定为设计运行温度。即把整个模型设置成为温度内低外高的散热过程。之前已经介绍过，有限元分析后处理的目的在于提取1T和2T供本文第2节所述的公式计算使用。通过计算，在每一个瞬态时刻的温度分布范围均可以用一个函数Ty来表示（图1），温度分布范围可以分成3部分：在疲劳计算中需要提取的是1T（令1T=V）和2T。这在后处理中可以通过管道壁厚方向定义路径，提取到离散节点的y值和对应的温度，进而进行积分求解。1T的计算得到的值也适用于ASMENB-3653.7热棘轮效应的影响校核，许用线性部分的温差1T应当不超过本文式（7）中规定的数值。同时应当注意到，根据NB-3611中的要求，在NB-3200中允许采用1.5Sm来替代公式（7）中的Sy值来进行热棘轮的安定性评价。考虑到NB3600的应力计算结果能够被NB3200所包络，而通常NB3600的公式法结果更为保守，本文在最小壁厚的迭代过程中采用的是NB3600的有关论述。

3计算流程

主管道疲劳分析的核心内容为沿壁厚方向的温差分布，即热瞬态分析。依据ASMEBPVCode第三卷NB分卷管道设计部分的内容，求解最小壁厚的流程如图2所示。以此为依据，采用循环累加的方法得到最小壁厚，该值可为以后可能出现的主管道壁厚减薄的情况提供审评依据。在求解主管道最小壁厚的过程中采用了优化算法，即设定一个目标函数以及多个等式或不等式边界条件，让目标函数趋近边界以得到最优解。流程展现了整个求解的思路和算法实现过程中的逻辑过程。具体的计算过程可以通过多种计算机语言实现。本文采用FORTRAN95语言编程实现标准规范公式法应力分析计算、疲劳雨流法计数和瞬态叠加的过程。在温度瞬态的计算过程中，则采用ANSYS表参数的方式对瞬态过程进行输入（输入参数包括各瞬态下的冷却剂温度、RCS的压力、流速），进行求解和后处理，将温度结果导入FORTRAN95编写的程序进行处理。虽然在核电的设计过程中不主张采取最优解的方法，但是本算例中的边界条件完全依据成熟且保守的标准规范，这些计算方法、参数选取、材料等均保守可接受。此外边界条件不牵涉制造、安装和检验过程中的技术条件，仅专注考虑在设计强度指标中的要求。因此在材料和制造等环节质量能够保证的前提下这种求解最值的方法是可靠的。

4结束语

本文从标准规范的要求出发，对管道分析的应力、疲劳和热棘轮情况进行了总结，采用有限元热瞬态分析代替有限差分方程来求解标准规范计算中需要的沿壁厚线性温度分布和非线性温度分布情况，同时采用优化方法进行迭代循环以不断趋近于能够满足ASME规范要求的最小壁厚值。本项研究可为管道设计、制造和安装过程中出现的偏差或不符合项提供参考，为安全审评提供依据。

作者：周舟孟少朋包捷 单位：机械科学研究总院核设备安全与可靠性中心