核電廠穩(wěn)壓器下封頭電加熱元件安裝區(qū)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

魯佳　李煥鳴　鄧豐　李冬慧　胡彧　田雅婧

【摘 要】壓水堆核電廠穩(wěn)壓器下封頭通常需要開70-90個(gè)布置較為密集的電加熱元件安裝孔。本文采用RCC-M和Н-ППУ-01兩種壓水堆核能設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某核電工程穩(wěn)壓器下封頭電加熱元件安裝區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，采用兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下封頭電加熱元件安裝區(qū)域開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)壓器；開孔補(bǔ)強(qiáng)；多開孔；RCC-M

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0137-002

Nuclear power plant voltage regulator under the head of electric heating elements Installation area opening reinforcement calculation

LU Jia LI Huan-ming DENG Feng LI Dong-hui HU Yu TIAN Ya-jing

（Key Laboratory of Nuclear Reactor System Design Technology， Chengdu 610000， China）

【Abstract】The pressure head of PWR nuclear power plant usually needs to open 70-90 electric heating element mounting holes which are more densely arranged. In this paper， RCC-M and Н-ППУ-01 two kinds of pressurized water reactor nuclear equipment strength calculation standard of a nuclear power project under the header heating element mounting area reinforcement calculation. After calculation， two kinds of standards are used to meet the corresponding standard requirements for the reinforcement calculation of openings in the installation area of the lower header electric heating element.

【Key words】Regulator； Open hole reinforcement； More openings； RCC-M

0 引言

穩(wěn)壓器是壓水堆核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。功能是通過穩(wěn)壓器內(nèi)的噴霧頭和電加熱元件聯(lián)合配合來補(bǔ)償一回路冷卻水溫度變化引起回路水容積的變化或調(diào)節(jié)一回路冷卻劑的工作壓力，以防止一回路系統(tǒng)設(shè)備由于壓力過高而損壞或由于壓力過低造成堆內(nèi)冷卻劑產(chǎn)生容積沸騰而引起燃料棒過熱燒毀的事故[1]。

穩(wěn)壓器下封頭上垂直安裝著70～90根電加熱元件，安裝方式是電加熱元件套管垂直冷裝在下封頭的電加熱元件孔中，電加熱元件與電加熱元件套管焊接。因此，穩(wěn)壓器下封頭通常需要垂直開70～90個(gè)貫穿孔，并且這些孔在下封頭較為密集布置。穩(wěn)壓器作為核一級(jí)設(shè)備，各部分基本尺寸的初步確定基于可靠的強(qiáng)度計(jì)算。目前，國(guó)內(nèi)核一級(jí)設(shè)備設(shè)計(jì)一般是基于壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[2]（RCC-M）和ASME[3]第III卷，而RCC-M和ASME第III卷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于核一級(jí)設(shè)備開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算基本相同。俄羅斯原子能部制定的壓水堆船用核蒸汽發(fā)生裝置管道和設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[4]（Н-ППУ-01）同樣可用于壓水堆核設(shè)備的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。本文采用RCC-M、Н-ППУ-01標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某核電工程穩(wěn)壓器下封頭電加熱元件安裝區(qū)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，研究它們關(guān)于電加熱元件區(qū)域的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力，p=17.13MPa

電加熱元件安裝孔直徑，d=32mm；

下封頭內(nèi)徑，R=1195mm；

下封頭計(jì)算壁厚，δ=59mm；

下封頭名義壁厚，T=90mm；

附加余量，C=0mm；

設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力值，[σ]=183MPa；

各電加熱元件安裝孔示意圖如圖1所示。

2 強(qiáng)度計(jì)算

2.1 按RCC-M標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

根據(jù)RCC-M B3332的規(guī)定，凸形封頭上開孔不需補(bǔ)強(qiáng)須同時(shí)滿足RCC-M B3332.1中的a）、b）、c）三個(gè)條件。對(duì)于該結(jié)構(gòu)的電加熱元件安裝孔，距離最近的兩個(gè)孔之見的中心距為109.30mm，因此在直徑為2.5（820mm）內(nèi)，開孔個(gè)數(shù)多于2，并且不滿足開孔直徑之和不超過0.25（82mm）。因此，下封頭電加熱元件安裝區(qū)域的開孔至少不滿足RCC-M B3332.1 a）的要求，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。以下分別按照單個(gè)開孔和多個(gè)開孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算：

2.1.1 單個(gè)開孔進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

開孔所需要的補(bǔ)強(qiáng)總面積，Ar=dδF；

沿下封頭表面的補(bǔ)強(qiáng)圓柱半徑界限，LA=max（d，+T+tn）；

2/3補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)位于補(bǔ)強(qiáng)圓柱半徑極限，

LA，2/3=max（+0.5，++）；

實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積，A=2（LA-）（T-δ）；

其中，F(xiàn)為補(bǔ)強(qiáng)修正系數(shù)，按RCC-M要求，此處F=1；tn為接管名義壁厚，此結(jié)構(gòu)中為0。

經(jīng)計(jì)算，Ar=1888mm2，LA=106mm，LA，2/3=180mm，A=5580mm2。計(jì)算結(jié)果表面，Ar

2.1.2 多個(gè)開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

RCC-M ZA400 f）要求一個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)面積不能作為另一個(gè)開孔的補(bǔ)強(qiáng)面積。由電加熱元件安裝孔在下封頭上分布情況（即各開孔之間的間距，見圖1）可知，相鄰開孔最小間距dN=109.3mm。而單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的補(bǔ)強(qiáng)圓柱半徑界限LA=106mm，顯然2LA=212mm>dN，所以相鄰開孔的補(bǔ)強(qiáng)限制均互相重疊。因此，考慮相鄰開孔所需的最小補(bǔ)強(qiáng)邊界。

最小補(bǔ)強(qiáng)邊界通過開孔所需的最小補(bǔ)強(qiáng)面積來確定，即，最小補(bǔ)強(qiáng)邊界，

L=+

經(jīng)計(jì)算，L=46.5mm，顯然2L=93mm

2.2 按Н-ППУ-01標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

根據(jù)Н-ППУ-01 4.3節(jié)規(guī)定，對(duì)于中間表面上該孔的邊緣和最鄰近孔的邊緣的距離大于LB=2的開孔認(rèn)定為單個(gè)開孔。對(duì)于該結(jié)構(gòu)的電加熱元件安裝孔，LB=945mm，距離最近的兩個(gè)孔之見的中心距為109.30mm，小于單個(gè)開孔限值，因此，該孔為非單個(gè)開孔，需進(jìn)行多孔聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。以下分別按照單個(gè)開孔和多個(gè)開孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

2.2.1 單個(gè)開孔是殼體強(qiáng)度降低

根據(jù)Н-ППУ-01 4.3.1.4節(jié)規(guī)定，封頭上單個(gè)未補(bǔ)強(qiáng)孔的最大允許直徑，

d0=-1.75；

殼體強(qiáng)度降低的系數(shù)，φd=；

其中，φ0=·，m=4，m=1。經(jīng)計(jì)算φ0=0.645，d0=638.5mm，φd=1.100（按規(guī)范取1）。因d=32mm遠(yuǎn)小于d0，單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算滿足規(guī)范要求。

2.2.2 多個(gè)開孔的殼體強(qiáng)度降低

根據(jù)Н-ППУ-01 4.3.2.3節(jié)規(guī)定，不考慮殼體厚度加厚作補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，殼體上任何方向上多開孔的強(qiáng)度降低系數(shù)，

φd=

其中L為孔間距。取相鄰開孔最小間距dN=109.3mm，即L=dN=109.3mm，φd=0.707，φd<1，說明需考慮殼體厚度加厚作補(bǔ)強(qiáng)。由4.3.1.6節(jié)可知，孔周圍殼體的加固應(yīng)當(dāng)在確定加固面積時(shí)作堆焊層考慮，加固面積

An=2

其中加固厚度Sn=S-δ=31mm，An=17191mm2。此時(shí)由4.3.2.13計(jì)算得到補(bǔ)強(qiáng)后強(qiáng)度降低系數(shù)

φ=+φ

經(jīng)計(jì)算φ=1.2365，即φ>1，多個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算滿足規(guī)范要求。

3 總結(jié)

本文采用RCC-M和Н-ППУ-01兩種壓水堆核能設(shè)備設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某壓水堆核電工程穩(wěn)壓器下封頭電加熱元件安裝區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。RCC-M標(biāo)準(zhǔn)基于等面積補(bǔ)強(qiáng)法利用下封頭厚壁對(duì)開孔區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，Н-ППУ-01標(biāo)準(zhǔn)基于開孔殼體強(qiáng)度降低系數(shù)計(jì)算對(duì)開孔區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，采用兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下封頭電加熱元件安裝區(qū)域開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]聶春福.壓水堆蒸汽式穩(wěn)壓器[J].核動(dòng)力工程，1987，8（3）：24-34.

[2]壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（RCC-M）[S].2007版.

[3]鍋爐及壓力容器規(guī)范第III卷核動(dòng)力裝置設(shè)備（ASME）[S].2004版.

[4]管道和設(shè)備元件強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（Н-ППУ-01）[S].2002版.