核電廠蒸汽發生器管板厚度計算方法研究

李冬慧　魯佳　胡彧　田雅婧　袁宏

【摘 要】核電廠蒸汽發生器管板厚度計算是壓水堆一回路系統承壓邊界尺寸計算的關鍵。本文采用TEMA標準和ASME VIII-1標準對包括蒸汽發生器傳熱管節距、布管圓直徑、管板外徑、筒體連接段厚度等主要參數的變化對管板厚度計算的影響進行對比計算分析，研究蒸汽發生器管板厚度計算標準應用特點。

【關鍵詞】蒸汽發生器;管板;厚度計算

中圖分類號： TL353.13文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0012-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.006

Study on Thickness Calculation Method of the Tube Plate of Steam Generator in Nuclear Power Plant

LI Dong-hui LU Jia HU Yu TIAN Ya-jing YUAN Hong

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610243，China）

【Abstract】Tube plate thickness calculation of PWR steam generator（SG）is a critical work for affirming the dimension of reactor coolant pressure boundary（RCPB）.In this paper，TEMA standard and ASME VIII-1 standard are adopted to conduct comparative calculation and analysis on the influence of changes in main parameters，including the pipe pitch of tube-sheet，diameter of tube layout，outer diameter of tube plate，thickness of connecting section，etc.on the calculation of tube plate thickness，so as to study the application characteristics of the calculation standard of the SG tube plate thickness.

【Key words】Steam generator tube plate;Thickness calculation

0 引言

蒸汽發生器是壓水堆核電廠核島內三大重要設備之一，俗有“核電之肺”之稱。它是一、二回路的邊界，將反應堆產生的熱量傳遞給蒸汽發生器二次側并產生品質合格的蒸汽用以推動汽輪機發電。壓水堆核電廠多采用立式U型管式自然循環蒸汽發生器，管板是一、二次側壓力邊界，并且有開孔與傳熱管脹接連接。因此，管板厚度計算是蒸汽發生器承壓邊界尺寸計算的關鍵。在蒸汽發生器設計過程中，一般先采用換熱器設計標準初步確定管板計算厚度，再根據工程經驗確定管板厚度并按相關規范標準進行分析設計。

本文基于某核電機組蒸汽發生器設計參數（如表1所示），采用TEMA[1]標準和ASME VIII-1[2]（以下簡稱“ASME標準”）對包括蒸汽發生器傳熱管節距、布管圓直徑、管板外徑、筒體連接段厚度等主要參數對管板厚度計算的影響進行對比計算分析，研究不同蒸汽發生器管板厚度計算標準的應用特點。其中，應用TEMA標準可直接計算最小管板厚度，ASME標準是對管板厚度進行校核計算，本文采用數值分析軟件編程迭代計算最小管板厚度。由于兩個標準均基于剪切強度和彎曲強度確定管板厚度，因此本文在進行計算過程中，分別基于彎曲強度、剪切強度確定最小厚度，并按各標準要求確定管板計算厚度。

1 計算方法簡介

本節計算方法中采用的TEMA標準和ASME標準計算公式較多，以下關于標準簡介中采用與標準相同符號，并且只介紹主要計算公式。

1.1 TEMA標準

TEMA標準是美國管式換熱器制造商協會制定的標準，其關于U型管式換熱器管板厚度計算方法是分別按照彎曲強度和剪切強度計算，最終計算厚度取二者中較大者。計算公式如下：

1.2 ASME標準

ASME標準是美國機械工程師協會制定的標準，其關于U型管式換熱器管板厚度計算主要是對于給定管板厚度分別按照彎曲強度，剪切強度，與管板連接的殼體（二次側筒體）中的連接段內軸向應力、與管板連接的殼體（一次側封頭）中的軸向應力校核計算，滿足校核要求即可確定管板厚度。計算方法如下：

2 結果與討論

2.1 傳熱管節距對管板計算厚度的影響

在布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，一次側連接段厚度為190mm，二次側連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標準和TEMA標準分別計算節距為25mm、26mm、27mm、28mm、29mm時最小管板厚度，計算結果如圖1所示。

從圖1可以看出，無論是采用ASME標準還是TEMA標準，管板計算厚度隨傳熱管安裝節距的增大而減小，并且采用ASME標準的計算厚度大于采用TEMA標準的，它們之間的差值隨傳熱管節距的增大而增大。對于基于彎曲強度的計算，采用ASME標準計算的厚度大于采用TEMA標準計算的，而對于基于剪切強度的計算，剛好相反;并且基于彎曲強度和剪切強度，采用ASME標準和TEMA標準的計算厚度差值均隨傳熱管節距增大而減小。由于ASME標準的計算管板厚度考慮一次側和二次側筒體連接段內軸向應力，而基于連接段內軸向應力的計算厚度大于基于管板彎曲強度、剪切強度的計算厚度，最終基于連接段內軸向應力強度的計算厚度決定管板計算厚度。從TEMA標準的計算結果可以看出，基于彎曲強度的計算厚度大于基于剪切強度的計算厚度。

2.2 布管圓直徑對管板計算厚度的影響

在傳熱管節距為27mm，管板外徑為3500mm，一次側連接段厚度為190mm，二次側連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標準和TEMA標準分別計算布管圓直徑為2800mm、2900mm、3000mm、3100mm、3200mm時管板最小計算厚度，計算結果如圖2所示。

從圖2可以看出，基于彎曲強度的計算，隨著布管圓直徑的增大，采用ASME的計算厚度會隨之增大，而采用TEMA標準的計算厚度保持不變，并且當布管圓直徑小于2900mm時，采用ASME標準計算的厚度小于采用TEMA標準計算的，當布管圓直徑大于或等于2900mm時，采用ASME標準計算的厚度大于采用TEMA標準計算的，它們之間的差值隨布管圓直徑增大而增大;基于剪切強度的計算，兩種標準計算的厚度均隨布管圓直徑增大而增大，并且采用TEMA標準計算的厚度要高于采用ASME標準計算的，它們之間的差值隨布管圓直徑增大而增大。采用ASME標準計算時，基于連接段內軸向應力的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨布管圓直徑的增大而減小;采用TEMA標準計算時，基于彎曲強度的計算厚度大于基于剪切強度的。

2.3 管板外徑對管板計算厚度的影響

在傳熱管節距為27mm，布管圓直徑為3000mm，一次側連接段厚度為190mm，二次側連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標準和TEMA標準分別計算管板外徑為3200mm、3350mm、3500mm、3650mm、3800mm時管板最小計算厚度，計算結果如圖3所示。

從圖3可以看出，采用ASME標準計算時，基于彎曲應力和剪切應力計算的厚度不隨管板外徑變化，基于連接段內軸向應力強度的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨管板外徑增大而減小。采用TEMA標準計算時，基于彎曲應力的計算厚度隨管板外徑增大而增大，而基于剪切應力的計算厚度保持不變。對于基于彎曲強度的計算，當管板外徑小于或等3500mm時，采用ASME標準計算的厚度大于采用TEMA標準計算的，當布管圓直徑大于3500mm時，采用ASME標準計算的厚度小于采用TEMA標準計算的;對于基于剪切應力的計算，兩種標準計算的厚度不隨管板外徑改變，并且采用ASME標準計算的厚度均小于采用TEMA計算的。

2.4 一次側連接段厚度對管板計算厚度的影響

在傳熱管節距為27mm，布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，二次側連接段厚度為100mm條件下，采用ASME標準和TEMA標準分別計算一次側連接段厚度為185mm、190mm、195mm、200mm、205mm時管板最小計算厚度，計算結果如圖4所示。

從圖4可以看出，對于基于彎曲強度的計算，采用ASME標準計算的厚度都隨一次側連接段厚度增大而增大，采用TEMA標準計算的厚度隨一次側連接段厚度增大而減小，并且采用ASME標準計算的厚度大于采用TEMA標準計算的。對于基于剪切強度計算，無論采用ASME標準還是TEMA標準，管板計算厚度隨一次側連接段厚度的變化而保持不變，并且采用ASME標準計算的厚度小于采用TEMA標準計算的。采用ASME標準計算時，基于連接段內軸向應力的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨一次側連接段厚度增大而減小;而采用TEMA標準計算時，基于彎曲強度計算的厚度大于基于剪切強度計算的，決定了管板計算厚度，并且隨一次側連接段厚度的增大而增大。

2.5 二次側連接段厚度對管板計算厚度的影響

在傳熱管節距為27mm，布管圓直徑為3000mm，管板外徑為3500mm，一次側連接段厚度為190mm條件下，采用ASME標準和TEMA標準分別計算一次側連接段厚度為90mm、95mm、100mm、105mm、110mm時管板最小計算厚度，計算結果如圖5所示。

從圖5可以看出，對于基于彎曲強度和剪切強度的計算，無論采用ASME標準還是TEMA標準，管板計算厚度都不隨二次側連接段厚度變化。對于采用ASME標準和TEMA標準，基于彎曲強度計算的厚度均要大于基于剪切強度計算的。采用ASME標準計算時，基于連接段內軸向應力的計算厚度決定管板計算厚度，并且管板計算厚度隨二次側連接段增大而減小;而采用TEMA標準計算時，基于彎曲強度計算的厚度大于基于剪切強度計算的，決定了管板計算厚度。

3 結論

1）ASME標準和TEMA標準是換熱器管板設計的常用標準，一般地，采用ASME標準計算厚度要大于采用TEMA標準計算的。在核電廠蒸汽發生器管板厚度計算時，建議優先采用ASME標準。

2）ASME標準考慮管板了彎曲強度、剪切強度及一、二次側筒體連接段中的軸向應力，其中一、二次側筒體連接段內的軸向應力對管板計算厚度的大小起主導作用。

3）ASME標準和TEMA標準計算中，基于彎曲強度計算的管板厚度均要大于基于剪切強度計算的管板厚度。

【參考文獻】

[1]美國管式換熱器制造商協會標準（TEMA），2007.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范.第Ⅷ卷第一冊 壓力容器建造規則，2010.