核岛管道分级方法与计算

核岛管道分级方法与计算摘要：本文研究和分析了某核电站核岛管道等级的分级方法，对该电站Q1、Q2和Q3级管道的不同分级方法进行了比较。文中重点分析了占该电站核岛总管道数量70%的Q3、NC级管道的分级与计算方法，对该电站中Q3、NC级管道的执行标准进行了分析并与中国相关的国标进行了比对，为后续相同堆型Q3、NC级管道的国产化应用做了一些有益的初步探索。此外，分析和掌握核岛管道分级方法，对将来新机型设计中的管道分级也有着很好的指导和借鉴意义。关键词：管道等级；管道分级；核岛管道某核电站前言管道分级是指根据一定的规则，将管道按照设计温度、压力等各种条件分成不同的设计范围（即等级），并为该范围的管道确定使用的材料，管道壁厚，可选用的管件等。合理的管道分级对于保障核安全、控制管道建造成本、提高核电站建设的经济性有着非常重要的意义。此外，管道分级也是管道设计的基础，良好的管道分级，能够使管道设计标准化、简便化，从而减少设计周期、节约设计成本，在核电站的设计过程中起着重要的作用管道分级在大部分核电机型路线中，管道分级号在本质上都是由管道规范等级、管道材料、管道磅级三部分组成。因此，管道分级的定义过程包含以下几个重要内容：确定管道的规范等级、选择管道材料、在选定材料的基础上通过强度校核计算选择相应设计规范中满足要求的管道壁厚与管件等，从而确定整个管系的分级。核电管道分级的过程，主要需要确定管道的规范等级、管道材料、管道壁厚（承压能力）。2.1管道的规范等级核电站核岛管道被归类于承压机械设备，因此管道规范等级实质为承压机械设备的设备规范等级。本文某核电站核岛管道按设备规范等级（管道质量等级）的不同，分为Q1、Q2、Q3和NC级。2.2管道的材料管道物项材料的选取与管道承压计算密不可分。指定了管道的具体材料牌号才能确定材料在设计温度下的许用应力，进而进行管道承压计算。本文某核电站设备管道的设计、材料与制造规范方面其规定如下：Q1级设备及管道必须按照RCC-M规范一级相关要求执行；Q2级设备及管道可以按照RCC-M规范二级，或者ASMENC卷相关要求执行；Q3级设备及管道可以按照RCC-M规范三级，或者核电站在建国的本国相关行业标准的要求执行。（即本文某核电站的Q3级管道，可以按照中国国内管道行业的相关规范执行。）2.3管道的承压计算当管道的规范等级和材料确定后，确定管道分级的另一个重要内容就是管道和管件的壁厚计算与校核，以确保其能承受设计中的温度和压力。出于经济性的考虑，通常先以管系中用量最大的直管、弯管和弯头的壁厚来确定整个管道等级的壁厚，然后以选定的壁厚对各类管件进行核算，不能满足要求的管件，可以通过补强等措施弥补或重新调整整个管系的壁厚。本文某核电站管道壁厚的计算可执行RCC-M的相关规定，根据RCC-MB/C/D3640节，承受内压的直管壁厚计算公式为：整个管系的壁厚计算以直管为基础。弯管和弯头由于在弯制的时候弯曲处壁厚会减薄，不同的弯曲半径，弯管壁厚减薄量不同。因此它们的最小需求壁厚是在直管壁厚的基础上，乘以相应的壁厚减薄系数得到。减薄系数由弯曲半径与设计执行规范共同确定（可参考RCC-MB/C3642.1）。管系壁厚的确定是以弯头与弯管的内外弯面的四个壁厚值中的最大值为计算厚度，再加上腐蚀余量、制造偏差得到最小所需的管线壁厚，并根据设计规范中管道标准壁厚序列进行圆整选取，从而确定初选的管道壁厚。三通、大小头、法兰等其他管件，根据初选的管道壁厚按其所执行的设计规范进行核算，核算通过即可确定最终的管道壁厚与管道等级。管道分级方法的应用本文某核电站核岛设备制造、安装、检验等方面多执行国外标准，因而在将来新机型的核岛管道设计中，管道设计规范建议按以下原则选取：Q1、Q2级沿用国外RCC-M标准；Q3、NC级出于设计标准的通用性，选用ASMEB31.1。Q级的定义可以直接等同或参考本文某核电站的机械等级M。在新机型的管道分级工作中，为满足平行设计的要求，即在核岛系统设计完成前就进行管道的分级工作，缩短设计周期，建议根据Q1、Q2与Q3、NC不同的特点，综合成本以及安全考虑，对其采用不同的分级方法。Q1、Q2级管道分级本文某核电站中Q1、Q2级的管道数量相对较少，建议管道分级思路为先为各等级选取壁厚，计算各尺寸管道等级的管道承压能力，对于其他弯头、三通等管件，根据RCC-M以及ASMEB16.9，按与管道具有相同的材料和壁厚进行核算。最终取各温度下所有尺寸管道中最小的承压值为该等级管道的最大承压能力。各管道等级的承压能力，即温度-压力限值，计算完成后，即可由工艺系统管线的设计温度、设计压力、规范等级和材质类别确定其管道等级。Q3级、NC级管道分级Q3和NC级核岛管道的数量庞大，管道壁厚的选取对工程造价的影响较大，建议采用正向直接计算管道壁厚的方法。根据项目工艺定义适当数量的壁厚系列，根据ASMEB36.10M和ASMEB36.19M，分别为每个系列各尺寸的管道定义壁厚，不同系列同尺寸的管道壁厚有一定差值。根据工艺管线的设计温度和设计压力，利用前文中的公式（1），并考虑考虑管道中弯管的使用情况、试验工况下所需的壁厚值、制造负公差一些综合因素确定该管道最终壁厚。根据管道设计温度、设计压力，按ASMEB16.5中温度-压力限值的0.9倍选取法兰磅级最后根据规范等级、材料类别、以及前面所选的管道壁厚系列和法兰磅级即可得到最终的管道等级。在对管道进行计算时，若发现已定义的壁厚系列不能满足要求，可考虑重新定义壁厚系列或者额外增加一个特殊的系列。3.3两种分级方法比较上述3.1和3.2章节两种分级方法本质上都是为管道选定合适的壁厚，区别在于Q1、Q2是先定义管道等级，然后根据温度-压力限值将管道放入这些等级中；Q3、NC则根据实际的工艺参数进行计算，进而确定等级。Q1、Q2推荐采用的方法能够在工艺参数确定前确定管道等级，并且管道等级数量较少，管道壁厚冗余量较大，安全性更高，但经济性稍差，需要根据后期实际的工艺参数对管道等级进行适当修正。Q3、NC推荐采用的方法优点在于根据实际工艺参数确定管道等级和壁厚，管道等级不需进行修正，管道壁厚余量较小，能够节省大量成本（Q3、NC管道数量占核岛管道总数量的70%左右）；缺点在于管道等级需要在工艺参数确定后才能确定，设计进度上有影响，并且管道等级数量会比较多。3.4Q3、NC级管道的国产化设计前面章节已经介绍过，对本文某核电站项目Q3级、NC管道，设计制造可以按照ASME或中国国内管道行业的相关规范执行。如果后续新机型项目推行自主化设计，对于Q3、NC级管道的材料及引用标准应考虑大量进行国产化替代。经分析本文某核电站项目，其Q3、NC级管道引用的不锈钢管标准基本与我国的GB13475等效，管件尺寸公差及壁厚公差不会存在问题。同样碳钢管道也有相应的等效标准。该核电站项目Q3、NC级管道常用的材料在力学性能上也与国内基本相当，对于个别差异可进一步分析评估。材料国产化替代的一个难题是，不同温度下的屈服和抗拉强度数据的缺失，而这些数据这是壁厚计算确定许用应力的关键数值。本文某核电站项目所引用的材料标准上述强度数据较齐全，一般从50度到350度每间隔50度各温度点的强度数据都会给出。如果采用国内材料标准，部分材料或许会缺失相应的材料强度数据，尝试采用插值法通过计算来获取相应的数值，然后加以验证，也许是我们处理此类问题的一个思路，其合理性有待于进一步研究。总结合理的管道分级，能在保证管道安全功能的同时，大量节约材料成本和设计成本，进一步研究国外核电站管道分级的相关原理和方法，并将其加以优化和应用，使之更适用于我国国内行业现状，对于我们研发新机型的核岛管道设计有着十分重要的意义，而应用标准的国产化，更将为我国带来不可估量的利益。参考文献：《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》RCC-M2007版；《动力管道》ASMEB31.1-2010；⑶《管