淺談影響三代核電站核島儀表管設計的若干因素及應對方法

陳 江 胡慶慶 汪 敏 張勇衛

0 引言

在二代或者二代加核電站中，儀表管的大部分路徑設計均由施工單位在現場確定，這使得即使是相同的堆型，每個電站的儀表管布置仍會因施工單位的不同而存在較大的差異。而作為我國自主研發的三代核電站華龍一號，不僅承擔優化國內能源結構的重任，還肩負我國核電技術出海參與國際競爭的歷史使命。因此，設計標準化是華龍一號的必須要求，而儀表管設計的精細化，是華龍一號的設計標準化的主要特征之一。

在核電站中，核島廠房內具有空間小、物項多、形狀特異等特點，同時，儀表管施工進場晚，布置路徑技術限制多，這些都會對儀表管的路徑設計造成很大困難，本文將結合筆者工作中的相關經驗，梳理影響核電站核島內的儀表管設計的因素，并對這些因素提出應對方法，希望對后來的設計者有一定借鑒意義。

1 影響核島儀表管道設計的因素和對策

1.1 熱膨脹應力和抗震慣性應力的影響及對策

核島內儀表管道一般連接在工藝管道和主設備上，這些管道和設備通常具有高溫高壓的特點，具有很大的熱膨脹應力和抗震慣性應力。在電站運行時，這些管道和設備會產生較大的熱膨脹位移和地震位移，與之相連接的儀表管道也會受到影響，如果路徑設計不合理，很容易使儀表管破裂，對核電站的安全性能產生影響[1]。

針對這一情況，在核電站儀表管路徑設計中，通常將工藝連接點后儀表管的第一個支架點作為固定點，且需要在固定點處消除因管道（或設備）熱膨脹應力和抗震慣性應力對儀表管的影響。因此，在儀表管安裝前，必須對工藝連接點到第一個支架之間的儀表管進行應力分析計算，以確定合適的路徑、形狀及尺寸。

在應力分析計算中，儀表管的形狀起著決定作用，如果形狀不合適，計算結果很難滿足要求，即使經過多次計算滿足了要求，其路徑也不合理，無法在現場施工。

儀表管應力是由熱膨脹應力和抗地震慣性應力共同作用的結果，其規律性不強。根據過往經驗，在設計固定點前的儀表管時，應首先考慮采用圓形布置來消除熱膨脹應力和抗地震慣性應力；若布置空間不允許，則路徑中出現迂回彎時，比如“[、]或者U”等形狀，效果會比較好；在無法通過改變儀表管形狀消除儀表管應力的情況下，可以選擇采用尺寸規格更大的儀表管[2]。

1.2 核島內空間不足帶來的影響及對策

在核島內的儀表管，必須遵循如下隔離準則：

（1）坡度設置：儀表管路應由取壓口向下（若介質為氣體則向上）敷設至傳感器，坡度必須在2%和10%之間。

（2）與墻的間距：儀表管靠近混凝土結構或鋼結構同時由于他們不發生關系，結構和儀表管之間 的最小距離是50 mm；如果儀表管道沿墻敷設且與墻體不發生關系，且儀表管道需要保溫，則儀表管道距墻至少130 mm。

（3）管道之間的間距：儀表管在有保溫層的工藝管道附近敷設時，距離工藝管道的最小距離是300 mm；不同保護組儀表管之間間距最少應為500 mm。

（4）與設備的間距：儀表管靠近設備同時又與其無任何關系時，二者之間最小距離應不小于50 mm；儀表管道在有保溫層的設備附近時，距離該設備的距離應不小于600 mm。

（5）與電纜托盤的間距：在具有防火保護的電纜托盤的附近敷設時，距離托盤的距離應不小于200 mm。

核島廠房大設備、大管道多，空間狹小，儀表管布置還需遵循以上準則，這使得儀表管的敷設空間變得更加有限，針對這些情況，在工程實踐中，采用以下方式可以減少空間不足對儀表管路徑設計的影響。

（1）做好整體規劃。

當前核電站設計一般采用PDMS進行全廠三維建模，這使得我們在設計初期就能對廠房內剩余空間有了全面了解，因而能對不同保護組儀表管提前對路徑走向、穿過孔洞、支掉點設置進行整體規劃，通過整體規劃，來減少對核島廠房空間的無效利用[3]。

（2）多專業協同設計。

在規劃儀表管路徑時，應多與其他專業溝通，協調，來實現廠房空間利用的最大、最優化。

（3）靈活應用機械保護裝置。

儀表管道在不滿足不同保護組儀表管隔離要求或者不滿足與高能管道隔離要求時，可以采用合適的機械保護裝置達到設計要求。

1.3 安裝進場時間晚帶來的影響及對策

在核電站的建設中，儀表管道安裝進場時間較晚，通常在儀表管安裝進場時，設備、工藝管道、電纜托盤及通風管道都已經完成安裝。

儀表管安裝進場時間晚會給儀表管敷設帶來如下問題：

（1）安裝誤差累積疊加。

在實際工程中，任意專業的任何物項，都難免存在安裝誤差，在這些誤差累計疊加之下，施工現場儀表管的安裝環境與設計之時的布置空間可能存在相當大的差異。

（2）已施工物項變更反饋不及時。

由于核電站建設時間周期廠，參與人員和參與單位多，且各單位之間溝通流程復雜，因此各專業現場變更很難及時的反映在設計時的三維模型中，這會使設計的儀表管難以及時響應現場的修改。

（3）施工空間不足。

因核島內有些儀表管取壓點高度較高，其后的儀表管往往在天花板下敷設，因進場時間晚，可能沒有足夠空間搭建安裝儀表管所需要的輔助設施。

為應對這些情況，一般需要設計單位派遣設計代表進駐施工現場，通過設計代表和安裝人員協作，依據現場的實際勘察情況，來進行施工現場的二次設計，并將最終的安裝情況反饋到三維模型中。這種方式不僅能夠使儀表管的安裝工作順利進行，也有助于儀表管竣工圖的出版，更有助加深設計人員對專業知識的理解從而提高設計能力。

2 結束語

本文主要對影響核島儀表管設計的三個因素進行總結，并對如何消除儀表管連接的工藝管道（設備）的應力、減少核島空間狹小的限制和減輕進場時間晚帶來的影響進行了詳細分析。本文提出的消除熱膨脹應力和抗地震位移的方法，對常規島內需做應力分析的儀表管道設計也具有參考意義。