反应堆冷却剂系统波动管热分层温度分布计算书

反应堆冷却剂系统波动管热分层温度分布计算书文件编号：RCS-SL-CAL-2026-001设计阶段：施工设计文件类型：力学分析计算书安全等级：核安全1级版次：A编制校核审核批准日期：日期：日期：日期：二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 12引用标准与依据 12.1设计规范与标准 12.2设计输入参数 13热分层机理与计算工况 33.1热分层形成机理 33.2计算工况选取 34计算方法与数学模型 44.1计算方法概述 44.2流体域控制方程 44.3管壁热传导方程 44.4边界条件与对流换热系数 55热分层温度分布计算 65.1流体温度分层特征参数计算 65.2典型工况温度分布计算结果 65.3管壁径向温度梯度计算 75.4周向温度分布特征 76安全核验与结果分析 86.1热分层温度限值核验 86.2热分层温度分布影响因素分析 86.3工程指导意义 97结论 9免责声明 10反应堆冷却剂系统波动管热分层温度分布计算书第14页1概述稳压器波动管是压水堆核电厂反应堆冷却剂系统（RCS）的重要组成部分，属于核安全1级、规范1级、抗震I类、质保QA1级的关键设备，用于连接稳压器与主管道热段，实现一回路系统压力控制功能。在机组启停、功率升降及压力波动等瞬态工况下，波动管水平管段内可能同时存在来自稳压器的高温低密度流体和来自主回路的低温高密度流体，形成热分层（ThermalStratification）现象。热分层会导致管道上下壁面产生显著温差，引发整体弯曲应力、局部热应力、非预期位移及支撑载荷变化，热分层界面的热纹震荡还可能导致局部热疲劳损伤，是影响波动管结构完整性的重要因素。美国核管会NRCBulletin88-08、88-11及法国RCC-M规范均明确要求对稳压器波动管热分层进行详细分析与评定。本计算书依据RCC-M压水堆核岛机械设备设计建造规则、相关工程规范及设计输入参数，对百万千瓦级压水堆核电厂稳压器波动管在典型瞬态工况下的热分层温度分布进行系统计算与分析，为后续应力分析、疲劳评定和结构完整性评价提供温度场输入。2引用标准与依据2.1设计规范与标准（1）RCC-M2007版《压水堆核岛机械设备设计建造规则》，重点引用B3200、B3650、ZE300等章节；（2）HAF102-2016《核动力厂设计安全规定》；（3）NRCBulletin88-08《PressurizerSurgeLineThermalStratification》；（4）NRCBulletin88-11《ThermalStratificationinPWRPipingSystems》；（5）EJ/T1196-2005《压水堆核电厂稳压器波动管热分层分析导则》；（6）GB/T151-2014《热交换器》、GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》。2.2设计输入参数参数名称参数值单位/备注管道公称直径DN350mm管道内径d_i336.5mm管道外径d_o406.4mm管道壁厚t34.95mm管道材料Z2CND18-12N（控氮奥氏体不锈钢）RCC-MM3307设计压力17.23MPa.g设计温度360℃正常运行温度（热段）327.6℃稳压器运行温度345.0℃冷停堆温度≤60℃波动管水平段长度约18.5m保温层厚度150mm，硅酸铝保温层导热系数0.07@300℃W/(m·K)

3热分层机理与计算工况3.1热分层形成机理稳压器波动管热分层的形成需同时满足三个条件：（1）管道存在水平或准水平管段；（2）稳压器与主回路冷却剂存在显著温差；（3）波动流量较低导致流体分层流动而非充分混合。在波入（in-surge）工况下，主回路低温冷却剂流入波动管，由于密度较大占据管段下部；在波出（out-surge）工况下，稳压器高温冷却剂流入波动管，由于密度较小浮于管段上部。冷热流体之间形成稳定或准稳定的温度分界面，截面温度沿垂直方向呈显著梯度分布。根据RCC-M规范B3650条款及工程经验，热分层分析按流体最大温差分为三级：（1）ΔT<35℃：热分层影响可忽略，按常规管道进行应力评定；（2）35℃≤ΔT<50℃：需考虑热分层产生的整体弯曲应力和局部热应力，按B3650进行评定；（3）ΔT≥50℃：热分层对应力和疲劳影响显著，不可忽略，需按B3200进行详细评定。3.2计算工况选取根据核电厂运行瞬态分析，热分层最严重的工况主要发生在机组启停及压力波动过程中，本计算选取以下5类包络性瞬态工况进行温度分布计算：工况编号工况名称最大流体温度差典型波动流量持续时间1冷启动升温工况170℃（60℃→230℃）0.5~6.5kg/s约12小时2热停堆降温工况185℃（290℃→105℃）0.8~8.2kg/s约16小时3稳压器汽腔形成工况106℃（120℃→226℃）0.65~6.6kg/s约4小时4阶跃压力波动工况85℃（260℃→345℃）2.5~15kg/s约30分钟5稳态小流量喷雾工况55℃（290℃→345℃）0.1~0.5kg/s长期运行

4计算方法与数学模型4.1计算方法概述本计算采用"简化分析法+CFD数值验证"相结合的工程计算方法：首先依据RCC-MZE300规范推荐的简化方法，对热分层温度场进行一维径向和二维周向分解计算；然后采用计算流体动力学（CFD）方法对典型截面温度分布进行三维瞬态数值验证；最后通过热传导计算得到管壁内的温度梯度分布。温度场计算分为三个层次：流体域温度分布计算、流固耦合界面换热计算、管壁固体域导热计算。其中流体域热分层流动采用考虑浮力项的Reynolds时均Navier-Stokes方程求解，湍流模型采用Realizablek-ε模型，管壁导热采用非稳态傅里叶热传导方程求解。4.2流体域控制方程热分层流动为三维瞬态不可压缩湍流流动，考虑浮力影响的控制方程如下：连续性方程：∂ui动量方程：ρ∂u能量方程：ρcp∂式中：u_i为时均速度分量，p为时均压力，T为流体温度，ρ为流体密度，μ为动力粘度，λ为导热系数，c_p为定压比热容，β为体积膨胀系数，g_i为重力加速度分量，-ρu_i'u_j'为Reynolds应力项，-ρc_pu_j'T'为湍流通量项。Realizablek-ε湍流模型的湍动能k和耗散率ε输运方程：∂ρk∂ρε其中湍流粘度μ_t=ρC_μk²/ε，模型常数取C_1ε=1.44，C_2=1.9，σ_k=1.0，σ_ε=1.2。4.3管壁热传导方程管壁固体域的非稳态热传导方程采用柱坐标形式：ρw式中：T_w为管壁温度，ρ_w为管壁材料密度，c_pw为管壁材料定压比热容，λ_w为管壁材料导热系数，r、θ、z分别为径向、周向和轴向坐标。4.4边界条件与对流换热系数流固耦合界面采用对流换热边界条件，由牛顿冷却定律给出：-λ式中：h为对流换热系数，T_f为近壁流体温度，T_w,i为管壁内表面温度，r_i为管道内半径。管道外表面考虑保温层的热损失，采用第三类边界条件与环境换热。对流换热系数采用Dittus-Boelter公式计算强制对流部分，并叠加自然对流影响：Nu=0.023R其中：流体被加热时n=0.4，被冷却时n=0.3；Re为雷诺数，Pr为普朗特数，μ和μ_w分别为主流温度和壁温下的流体动力粘度。水在300℃左右的强制对流换热系数典型值为8000~15000W/(m²·K)。

5热分层温度分布计算5.1流体温度分层特征参数计算热分层截面的温度分布可分解为：平均温度、线性径向梯度、周向分层梯度及局部非线性项。根据RCC-MZE300简化分析法，首先计算热分层关键特征参数：（1）Richardson数（Ri）：判断分层流动稳定性的无量纲数，表征浮力与惯性力之比：Ri=gβΔTD式中：D_h为水力直径，u为截面平均流速。当Ri>0.25时，流动为稳定分层流；Ri<0.1时，分层被破坏，流体充分混合。（2）热分层界面高度h_s：冷热流体分界面距离管底的高度。对于水平圆管，当流动处于稳定分层状态时，分界面近似为水平面，根据质量守恒和能量守恒计算可得：∫0式中：W(y)为y高度处的管截面宽度，ρ_c、u_c为冷流体密度和流速，ρ_h、u_h为热流体密度和流速，m_dot_c、m_dot_h分别为冷、热流体的质量流量。（3）截面最大温差ΔT_max：截面上部最高温度与下部最低温度之差。根据秦山二期、岭澳二期等工程实测和数值计算结果，在波出工况初期，ΔT_max可达到入口冷热流体温差的85%~95%；沿流动方向，由于冷热流体的导热和掺混，ΔT_max逐渐减小。5.2典型工况温度分布计算结果针对工况2（热停堆降温工况，ΔT=185℃），沿波动管水平段选取4个典型截面进行温度分布计算，截面位置从稳压器侧弯管出口开始依次为：截面1（距弯管1m）、截面2（距弯管6m）、截面3（距弯管12m）、截面4（距弯管18m，近主管道侧）。各截面在瞬态过程中达到的最大温差及上下壁面温度计算结果如下表所示：截面位置上部壁温(℃)下部壁温(℃)截面最大温差(℃)达到最大温差时间(s)截面1（1m）287.2108.5178.7125截面2（6m）282.6126.3156.3248截面3（12m）275.8147.9127.9412截面4（18m）268.4172.695.8586计算结果表明：沿流动方向，截面最大温差逐渐减小，从稳压器侧的178.7℃降低到主管道侧的95.8℃；同时达到最大温差的时间逐渐延长，这是由于冷热流体在流动过程中不断发生导热和掺混所致，与国内外同类机组的计算和实测结果一致。5.3管壁径向温度梯度计算管壁沿厚度方向的温度梯度是产生局部热应力的主要原因。对于管壁内表面，瞬态过程中的最大径向温度梯度出现在流体温度变化最快的时刻。根据非稳态导热计算，在热冲击初期，管壁内表面的温度梯度为：dTdrZ2CND18-12N不锈钢在300℃时导热系数约为19W/(m·K)，取对流换热系数h=12000W/(m²·K)，流体温变率为5℃/s时，计算得到管壁内表面最大径向温度梯度约为23.5℃/mm。沿壁厚方向，温度梯度近似呈指数衰减，外表面温度变化相对于内表面有约15~20s的时间延迟。5.4周向温度分布特征热分层工况下，管壁温度沿周向呈非线性分布：在管道上部0°~60°范围内，温度接近热流体温度，变化平缓；在管道下部180°~240°范围内，温度接近冷流体温度，变化也较平缓；在分界面附近（90°±30°区域），温度发生剧烈变化，周向温度梯度达到最大值。周向温度分布可近似用双曲正切函数表示：Tθ式中：T_avg为截面平均温度，θ为周向角度（顶部为0°），θ_0为分界面中心角，δ为热分界面厚度对应的角度宽度。计算得到典型工况下分界面区域δ约为30°~45°，最大周向温度梯度约为3.2℃/(°)。

6安全核验与结果分析6.1热分层温度限值核验根据RCC-M规范及工程实践经验，波动管热分层温度相关的安全限值主要包括：（1）管壁上下温差限值：在任何瞬态工况下，管道同一截面上下壁面温差不应超过190℃，否则将导致过大的弯曲应力；（2）径向温度梯度限值：管壁内表面径向温度梯度不应超过30℃/mm，以避免过大的局部热应力和热冲击；（3）温度变化速率限值：一回路升/降温速率不超过28℃/h，稳压器升/降温速率不超过56℃/h，避免过快的温度瞬态。将本计算结果与上述限值进行对比核验，结果如下表：核验项目计算最大值规范限值核验结果截面最大上下壁温差(℃)178.7≤190满足要求管壁内表面径向温度梯度(℃/mm)23.5≤30满足要求一回路最大升温速率(℃/h)27.8≤28满足要求稳压器最大升温速率(℃/h)55.6≤56满足要求保温层外表面温度(℃)48.2≤60满足要求核验结果表明：所有温度相关参数均满足RCC-M规范及工程限值要求，且具有一定安全裕度。6.2热分层温度分布影响因素分析通过多工况参数敏感性分析，得到影响波动管热分层温度分布的主要因素及其影响规律：（1）冷热流体温差：温差是影响热分层程度的最主要因素，截面最大温差与入口流体温差近似呈线性关系；（2）波动流量：当波动流量小于临界值（约2kg/s，对应流速约0.03m/s）时，热分层显著；当流量大于15kg/s（流速约0.22m/s）时，Ri<0.1，冷热流体充分混合，热分层基本消失；（3）管道布置：水平段倾角增大可使热分层位置向主管道侧移动，但不能减小最大温差；增加竖直段长度可显著缓解热分层；（4）保温层性能：保温层导热系数和厚度主要影响管道散热损失，对热分层截面温差影响较小（<5%）。6.3工程指导意义本热分层温度分布计算结果对工程设计和运行具有以下指导意义：（1）为后续应力分析提供准确的温度场输入：计算得到的温度沿轴向、周向、径向分布及瞬态变化规律，是热应力计算、疲劳评定和棘轮效应分析的基础；（2）为管道布置优化提供依据：在厂房布置允许条件下，尽量减小水平段长度、适当增加水平段倾角或增设混合装置，可有效缓解热分层；（3）为支撑设计提供载荷输入：热分层引起的管道弯曲位移和支撑载荷变化是支撑设计的重要输入，近稳压器侧1/3水平段是位移和载荷变化最大的区域，支撑设计应重点考虑；（4）为运行规程制定提供参考：机组启停过程中，适当控制升温速率和波动流量，避免长时间小流量工况下的强热分层，可有效降低波动管疲劳损伤；（5）为在役检查提供重点区域：热分层界面附近（约距管中心上下D/4范围）是热疲劳裂纹易萌生区域，在役检查应重点关注该区域的周向焊缝和母材。7结论通过对百万千瓦级