AP1000主蒸汽管道镗孔壁厚设计分析.pdf

A P 1 0 0 0主蒸汽管道镗孔壁厚设计分析 梅健 ， 王曦 ， 张立君 国核工程有限公司， 上海2 0 0 2 3 3 摘要 A P I O 0 0主蒸汽管道与蒸汽发生器连接。根据设计要求， 主蒸汽管道与蒸汽发生器管嘴连接 的焊缝需要进行役前和在役检查 ， 同时位于安全 壳内的主蒸汽管道需要满足先漏后破原则。为 了 满足上述设计和运行要求， 主蒸汽管道需要进行镗孔加工并且满足镗孔后的最小壁 厚要求。通过 分析设计给出的主蒸汽管道外径及公差和蒸汽发生器管嘴内径及公差要求， 发现主蒸汽管道镗孔 后其壁厚可能无法满足设计要求， 从而判断设计要求 自身耦合出现偏差， 建议修正主蒸汽管道外径 公差 值 。 关键词 A P I O 0 0； 主蒸汽管道 ； 蒸汽发生器管嘴 ； 镗孔壁厚 ； 耦合 中图分类号 T H1 2 3 ； T L 3 5 3 ． 1 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 4 0 9 0 0 4 7 0 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 0 8 De s i g n Ana l y s i s o n AP1 0 0 0 M a i n S t e a m Pi pe W a l l Th i c kn e s s a f t e r Bo r i n g ME I J i a n， WAN G X i ， Z HAN G L i j u n S t a t e N u c l e a r P o w e r E n g i n e e r i n g C o mp a n y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ， C h i n a A b s t r a c t T h e m a i n s t e a m p i p e o f A P I O 0 0 c o n n e c t s w i t h t h e n o z z l e o f s t e a m g e n e r a t o r S G ． A c c o r d i n g t o t h e de s i g n r e q u i r e me n t s ， t h e we l d b e t we e n t h e ma i n s t e a m p i p e l i n e a n d S G n o z z l e i s r e q u i r e d t o i mp l e me n t p r es e r v i c e a n d i ns e r v i c e i n s p e c t i o n， a t t h e s a me t i me t h e ma i n s t e a m p i p e i n t h e c o n t a i n me n t v e s s e l n e e d s t o o b e y t h e p r i n c i p l e s o f L e a k B e f o r e B r e a k L B B ． I n o r d e r t o me e t t h e a b o v e me n t i o n e d r e q u i r e me n t s o n d e s i g n a n d o p e r a t i o n， t h e ma i n s t e a m p i p e n e e d s t o b e b o r e d wi t h a mi n i mu m p i p e w a l l t h i c k n e s s a f t e r b o ri n g ． B y a n a l y z i n g t h e d e s i g n d i me n s i o n a n d t o l e r a n c e o f t h e ma i n s t e a m p i p e o u t s i d e d i a me t e r a n d t h e S G n o z z l e i n s i d e d i a me t e r ， i t i s d i s c o v e r e d t h a t t h e p i p e w a l l t h i c k n e s s o f ma i n s t e a m p i p e a f t e r b o ring ma y be u n a bl e t o me e t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s ， S O a s u g g e s t i o n i s p r o p o s e d t o mo d i f y t he t o l - e r a n e e o f ma i n s t e a m p i pe o ut s i d e d i a me t e r ． Ke y wo r ds API O 0 0； ma i n s t e a m p i p e； s t e a m g e n e r a t o r n o z z l e； wall t h i c k ne s s aft e r b o r i ng； c o u p l i n g 0 引言 由美国西屋公 司研发的 A P I O 0 0是一个二 回 路百万千瓦级的压水堆核电站 ， 它采用具有非能 动安全设施及简化的电厂设计 ， 从而使核电厂具 有 良好的可建造性 、 可运行性和可维护性， 使电厂 造价和电价更具有竞争性 。 A P 1 0 0 0主蒸汽管道 以下简称 M S L 与安全 壳内蒸汽发生器 以下简称 S G 连接 如图 1所 47 C P V T A P 1 0 0 0主蒸汽管道镗孔壁厚设计分析 V 0 l 3 1 ． N 0 9 2 0 1 4 示 ， 将 S G产生的蒸汽输送至常规岛汽轮机中带 动汽轮发 电机组发电L 2 J 。在 A P 1 0 0 0的设计要求 中， S G和 安全 壳 贯穿 件 之 间 到 MS L必 须 满足 “ L e a k B e f o r e B r e a k L B B” 先 漏 后 破 原 则 ， 同时 MS L与 S G管嘴的焊缝需要进行役前 和在役检查 4 J 。为了满足上述设计和运行要求 ， MS L需要进行 镗孔 加工并且满足镗 孔后最小壁 厚要求。 连接 图 1 MS L与 S G连接示 意 以下就西屋设计要求中 MS L与 S G接 口尺寸 及镗孔壁厚不能耦合的问题进行分析探讨。 1 S G管嘴与 M S L的设计要求 1 ． 1 与 S G主蒸汽 出口管嘴接 口的 M S L的设计 要 求 与 S G相连接的、 位于安全壳 内的 MS L属于 核级管道 ， 其设计 和建 造必须 满 足 A S ME 1 1 1 规 范 的要求。A P I O 0 0设计 中与 S G接 口的 MS L 为非 标 厚 壁 无 缝 钢 管， 管 道 公 称 直 径 为 3 8 9 6 5 ． 2 mm ， 材料标准为 A S ME S A一 3 3 5， 制造标 准为 A S ME B 3 6 ． 1 0 M。 1 ． 2 S G主蒸汽出口管嘴的设计要求 如 图 2所示 ， S G主蒸汽 出 口管 嘴 的内径 为 3 4 ． 8 5 ” 8 8 5 ． 1 9 m m ， 其 公 差 要 求 为 - t- O ． 0 1 ” 0 ． 2 5 mm 。 1 ． 3 M S L管道镗孔要求 为了满足开展在役前检查和在役检查 的运行 要求 ， 与 S G主蒸汽出 口管嘴连接 的 MS L需要进 行镗孔。由于 S G的主蒸汽管嘴在 出厂前已进行 镗孑 L ， 而与其相连接的主蒸汽管道是在现场镗孔 48 加工 ， 以使两者内径一致 ， 即两段主蒸汽管道镗孔 后内径尺寸与 s G主蒸汽出口管嘴内径尺寸相匹 配 如图 3所 示 。同时 M S L需要 满足 L B B原 则， 镗孔后的壁厚必须满 足最小 1 ． 5 9 9 ” 4 0 ． 6 1 5 mm 的要求 。 图 2 S G管嘴尺寸示意 f 管道公 称壁厚 ； r ．|- 镗孔 后壁厚 图3 MS L与 S G连接焊接示意 2 MS L镗孔壁厚设计分析 2 ． 1 MS L外径尺寸分析 1 根据管道制造标 准 A S ME B 3 6 ． 1 0 M， 对 于公称 直径 为 3 8 ”MS L管道 外径 为 3 8 ” 9 6 5 ． 2 mm 。 2 根据管道材料标准 A S ME S A一 3 3 5 1 9 9 8 版 。 。 ， 对于材料装配标准参考 A S T M A 5 3 0 ／ A 5 3 0 M 2 0 0 4版 ， 根据 A S T M A 5 3 0 ／ A 5 3 0 M的 规定要求 ， 管道外径公差要求如表 1所示 。从表 1 可 以看出， MS L外径选用公差为 一1 ／ 3 2 ” 一0 ． 8 mm一 3 ／ 1 6 ” 4 ． 8 mm 。 第 3 1 卷第 9期 压 力 容 器 总第 2 6 2期 表 I 管道外径公差 外径允许偏差 公称直径设 正偏差 负偏差 一 计值／ i n ． l n ． nl m l n ． m m l／ 8 1 吉 1／ 6 4 0 ．4 1／ 3 2 0 ． 8 一 4 1／ 3 2 0 ． 8 1／ 3 2 0 ． 8 4 8 1 ／l 6 1 ． 6 l ／ 3 2 0 ． 8 8 1 8 3 ／3 2 2． 4 1 ／3 2 O． 8 l 8～2 6 1 ／8 3． 2 l ／ 3 2 O． 8 2 6～3 4 5 ／ 3 2 4 ． 0 1 ／ 3 2 0 ． 8 3 4以上 3 ／ 1 6 4 ． 8 1 ／ 3 2 0 ． 8 注 1 i n ． 2 5 ． 4 m m。 综合上述要求 ， MS L最终制造完工 的外径尺 寸在 3 7 ． 9 7 9 6 4 ． 4 m m～3 8 ． 1 9 9 7 0 ． 0 mm 之间。 2 ． 2 S G主蒸汽出口管嘴 内径尺寸分析 根据 S G 主 蒸 汽 出 口管 嘴 的 内 径 3 4 ． 8 5 ” 8 8 5 ． 1 9 n l n 1 ， 公 差 要 求 为 0 ． O 1 0 ． 2 5 m m ， 可以得 出 S G主蒸汽 出口管嘴最终制造完 工的 内径 尺 寸 范 围为 3 4 ． 8 4 8 8 4 ． 9 4 m m～ 3 4 ． 8 6 ” 8 8 5 ． 4 4 m m 。 2 ． 3 Ms L镗孔壁厚分析 1 基 于设 计给 出的 MS L的外径 尺寸及公 差、 S G主蒸汽出口管嘴内径尺寸及公差进行 MS L 管道镗孑 L 后理论壁厚值的计算 。 镗孔后理论壁厚值 T MS L外径 一 s G主蒸 汽 出口管嘴内径 ／ 2 计算结果如表 2所示。 表 2 MS L镗孔后理论壁厚计算数值 m m 镗孔后理论壁厚值 MS L外径最小值 9 6 4 ． 4 MS L外径设计值 9 6 5 ． 2 MS L外径最大值 9 7 0 ． 0 S G主蒸汽出口管嘴内径最小值 8 8 4 ． 9 4 3 9 ． 7 3 4 0 ． 1 3 4 2 ． 5 3 S C主蒸汽出口管嘴内径设计值 8 8 5 ． 1 9 3 9 ． 6 1 4 0 ． 0 1 4 2 ． 4 1 S G主蒸汽出口管嘴内径最大值 8 8 5 ． 4 4 3 9 ． 4 8 3 9 ． 8 8 4 2 ． 2 8 根据西屋设计的 L B B原则 ， MS L镗孔后壁厚 最小要求满足 1 ． 5 9 9 4 0 ． 6 1 5 mm 的要求 。 从表 2可以看出 1 当 MS L外径取最小值 、 S G主蒸 汽出 口管 嘴内径取最大值时， M S L镗孔后壁厚为最小值 3 9 ． 4 8 mm， 无法满足 L B B对于 MS L最小 壁厚要 求的1 ． 5 9 9 ” 4 0 ． 6 1 5 mm ； 2 当 MS L外径取最 大值 ， S G主蒸 汽出 口管 嘴内径只要在设计公差范 围内， MS L镗孑 L 后壁厚 都可 以满 足 L B B对 于 MS L最 小 壁 厚 要 求 的 1 ． 5 9 9 ” 4 0 ． 6 1 5 mm ； 3 当 MS L外径、 S G主蒸 汽出 口管嘴 内径都 选取设计值时 即加工零偏差 ， MS L镗孔后壁厚 为 4 0 ． 0 1 mm， 无法满足 L B B对于 MS L最小壁厚 要求的 1 ． 5 9 9 ” 4 0 ． 6 1 5 ra m 。 由于 S G和 MS L属于不 同制造厂生产 ， 可 以 认为 M S L外径及 S G主蒸汽出口管嘴内径的分布 相互独立 。 根据表2数据分析， 得出 M S L镗孔后实际壁 厚的带状图 ， 如图 4所示。 4 2 ． 5 3 mm 最 大镗孔 壁厚 Ms L 外 径最 大值一 S G 主蒸汽出口管嘴内径最小值 壁厚满 足要求 4 0 ． 0 1 m m 理论壁厚 M S L 夕 径设计 l 笪 二 圭 蓬 逸 造 口_ 链 噬 焦 逗 i十 ⋯．【壁 厚 不 3 9 ． 4 8 ra m 最小镗孔壁厚 M S L 夕 径最 满足要求 小值一 s G 主蒸汽出V I 管嘴内径最大值 I 图4 M S L镗孔后实际壁厚的带状图 从图 4分布可知， 根据设计给 出的尺寸及 公 差要求 ， 存在 MS L镗孔后壁厚无法满足 L B B要求 的可能性。 2 根据 A S M E 1 11 N C一4 2 3 3的要求， M S L 和 S G主蒸 汽 出 口管 嘴 内径允许 接 口错边 量为 1 ／ 3 2 ” 0 ． 7 9 3 m m ， 因此对于表 2中所有壁厚 值不满足 1 ． 5 9 9 ” 4 0 ． 6 1 5 m m 要求 的镗孔壁厚采 用错边量增补 ， 即 镗孔后 错边量 理论壁厚值 M S L 外径 一S G主蒸汽 出口管嘴 内径 ／ 2M S L和 S G ． 4 9 A P I O 0 0主蒸汽管道镗孔壁厚设计分析 V o D1 ． N 0 9 2 0 1 4 主蒸汽出口管嘴内径允许接 口错边量 重新计算镗孑 L 后的理论壁厚值如表 3所示。 表 3 MS L镗孔后 错边量 理论壁厚计算数值 m m 镗孔后 错边量 理论壁厚值 MS L外径最小值 9 6 4 ． 4 MS L外径设计值 9 6 5 ． 2 MS L外径最大值 9 7 0 ． 0 S G主蒸汽出 口管嘴内径最小值 8 8 4 ． 9 4 4 0 ． 5 2 4 0 ． 9 2 4 3 ． 3 2 S G主蒸汽出口管嘴内径设计值 8 8 5 ． 1 9 4 0 ． 4 0 4 0 ． 8 0 4 3 ． 2 0 S G主蒸汽出口管嘴内径最大值 8 8 5 ． 4 4 4 0 ． 2 7 4 0 ． 6 7 4 3 ． 0 7 从表 3可以看 出 1 当 MS L外径取最小值 、 S G主蒸汽 出 口管 嘴内径取最大值时， MS L镗孔后壁厚加上错边量 增补量为最 小值 4 0 ． 2 7 m m， 仍然 无法满足 L B B 原则对于 MS L最小壁厚 要求 的 1 ． 5 9 9 4 0 ． 6 1 5 m m ； 2 当 MS L外径、 S G主蒸 汽出 口管嘴内径 都 选取设计值时 即加工零偏差 ， M S L镗孔后壁厚 加上错边量增补量为 4 0 ． 8 0 m m， 满 足 L B B对于 MS L最小壁厚要求 的 1 ． 5 9 9 4 0 ． 6 1 5 m m 。 根据表 3数据分析 ， 在表 2的基础上增加错 边量增补量 ， 得出 MS L镗孑 L错边量增补后 的实 际壁厚的带状图， 如图 5所示。 4 3 ． 3 2 mm 最 大镗孔 壁厚 错 边量 9 ． 8 9 ． 理 翌 f 理 壁壁 绣 ] 一4 0． 61 ．ra m L B B 迕垦小擘 4 0 2 7 mm 最 小镗孔 壁厚 错 边量 壁厚 满 足要 求 壁厚不 满足要 求 图 5 加上错边量的 MS L镗孔后实际壁厚的带状图 从图 5分布可知 ， 根据设计给 出的尺寸及公 差要求 ， 再加上规范允许的错边量要求 ， 仍然存在 M S L镗孑 L 后无法满足 L B B要求的可能性。 综上所述 ， MS L镗孔后 的壁厚在设计文件要 求出现耦合偏差 。 3 MS L镗孔壁厚设计要求耦合建议 通过上述分析 比较 ， 对于设计给 出的 MS L外 径尺寸及选取的公差规范与 S G主蒸汽 出口管嘴 内径尺寸及公差要求， 将可能会产生即使加工制 造都符合设计及规范要求 的前提下 ， 现场安装时 仍然会 出现 MS L镗孔后 的壁厚无法满足设计提 5 0 出的 L B B原则对最小壁厚的要求 ， 这属于设计文 件要求 自身的耦合偏差 ， 应从设计 角度进行优化 改进。 建议在 S G主蒸汽出口管嘴内径及公差要求 不变的前提下 ， 修正 MS L外径的公差要求。根据 镗孔后壁厚必须满足 1 ． 5 9 9 ” 4 0 ． 6 1 5 m m 要求 的 前提 ， M S L外 径 的公 差 在 规 范 给 出 的 基 础 上 一 0 ． 8 一 4 ． 8 m i l1 ， 设计提高制造加工公差要 求为 1 ． 5～4 ． 8 m m， 考 虑到规范允许 错边 量 ， 可以放宽为 一 0 ． 1～ 4 ． 8 mm， 从 而实现设 计要求的耦合 。 4结语 通过对 A P I O 0 0主蒸汽管道镗孔壁厚设计要 求的分析比较 ， 发现设计要求 自身耦合 出现偏差 ， 将有可能出现核级管道镗孔后壁厚无法满足设计 要求情形， 从而可能会对后续的安全运行带来潜 在的风险。因此提早发现设计要求 自我耦合的偏 差 ， 及时修正设计的要求 ， 才能将风险发生的概率 降到最低。 参考文献 [ 1 ] 林诚格． 非能动安全先进核电厂 A P I O 0 0[ M] ． 北 京 原子能出版社 ， 2 0 0 8 5 ． [ 2 ] 林诚格， 郁祖盛． 非能动安全先进压水堆核电技术 [ M] ． 北京 原子能出版社 ， 2 0 1 0 6 9 5 ． [ 3 ] 孙汉虹． 第三代核电技术 A P I O 0 0[ M] ． 北京 中国 电力出版社 ， 2 0 1 0 3 8 ． [ 4 ] A S M E X I ， R u l e s F o r I n s e r v i c e I n s p e c t i o n o f N u c l e a r P o w e r P l a n t C o m p o n e n t s [ S ] ． I 5 l A S ME I ll N B ， R u l e s f o r C o n s t r u c t i o n o f N u c l e a r F a c i l i ． t y C o m p o n e n t s [ S ] ． [ 6 ] 郑明光， 杜圣华． 压水堆核电站工程设计 [ M] ． 上 海 上海科学技术出版社， 2 0 1 3 1 7 7 ． [ 7 ] 许跃武， 高宝宁． A P I O 0 0核电机组反应堆压力容器 的安装[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 2 ， 2 9 1 6 9 7 4 ． 下转第 2 7页 第 3 1卷第 9期 压 力 容 器 总第 2 6 2期 0 ． 3 7 ％ 一 0 ． 4 ％条件下的循环松 弛速率较应变 范 围为 0 ． 2 ％ 一 0 ． 4 ％ 的大 。这主要 是 由于应力 松 弛速率与操作温度、 时间和拉伸应力水平相关 ， 两 种应变范围条件下 的操作温度和循环次数相 同， 而当应变范围较小时， 试样在相对更高的拉伸应 力条件下工作， 故其应力松弛速率较大。 3 2 0 蓦 2 4 0 倒 1 6 O O 40 8 O 循 环次 数 图 7 应变范 围为 0 ． 3 7 ％ 一 0 ． 4 ％时 ， 2 5 C r 2 Mo V A钢的 应力松弛行为 5 结 论 1 在峰值保持阶段， 2 5 C r 2 M o V A钢发生了 明显的应力松弛行为 ， 且应力松弛 幅度随保持 时 间的延 长而增大 。且 初始 的几个循 环保持 阶段 内， 其应力松弛速率较大 ， 而随后的循环加载阶段 应力松弛速率趋于稳定， 材料进人了较稳定的应 力松弛阶段 。 2 2 5 C r 2 M o V A钢在高温循环加载条件下具 有一定 的粘塑性行 为， 即保持 阶段产生蠕变和循 环加载阶段产生粘塑性变形 ， 这二者 的共同作用 加速了试样应力松弛的速率 。 3 应变范围为 0 ． 3 7 ％ ～0 ． 4 ％条件下的循 环松 弛速 率较应 变范 围为 0 ． 2 ％ 一0 ． 4 ％ 的大。 这主要是 由于操作温度 和循环 次数相 同的情况 下 ， 当应 变范 围较 小 时 ， 试 样 的拉 伸 应 力 水平 更高。 参考文献 [ 1 ] 沈轶． 高温法兰连接系统可靠性及风险评价[ D ] ． 南京 南京工业大学， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 喻九阳， 王明伍， 张红才， 等． 2 5 C r 2 Mo V A和 1 5 C r 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