蒸汽发生器管板孔桥超差情况下的结构安全性分析

李海龙，王 庆，徐 宇，熊冬庆，王 臣，张 跃

(环境保护部 核与辐射安全中心，北京 100082)

压水堆蒸汽发生器(SG)的基本功能是将单相反应堆冷却剂的热量通过U型传热管，传递到SG二次侧沸腾态的汽水混合物中。SG的汽水分离器和干燥器从沸腾态混合物中分离出干饱和蒸汽，将其输送到汽轮机。SG传热管传递热量并将放射性污染保留在一回路系统中。

本案例的传热管堵管和常规的传热管堵管背景不同。常见的传热管堵管是由于制造完成后通过涡流检查和超声探伤发现传热管的缺陷或在役运行阶段传热管的降级。本案例中堵管是SG制造过程中管板孔桥超差造成的，是较少见的案例。垂直度出现超差的管孔和传热管安全性至关重要，有必要进行管孔和传热管的安全性审查。另一方面，由于管板二次侧孔桥超差，应分析评估管板的结构完整性是否满足设计要求。

SG是核电厂非常重要的大型设备之一，制造周期长，工艺复杂，造价昂贵。管板孔桥超差的传热管堵管处理，缩短了SG的制造周期，降低了SG的制造成本。传热管管板孔桥超差情况下的结构安全性分析是SG安全运行的重要保障，是核电厂安全运行的基础。本工作拟对该不符合项进行处理，找到合理可行的解决方案。

1 不符合项简介

某压水堆核电厂的SG，在实施管板深孔钻加工时，由于导套密封环的损坏，导致3个位于管板冷段边缘处的管孔钻偏，从而造成管板二次侧的6个孔桥超过了设计要求值的下限，一次侧孔桥满足设计要求，具体位置如图1所示。

图1所示超差，造成的影响包括管板和传热管的结构完整性。该SG制造厂提出了对管板3个超差孔(C165-R59、C167-R59和C168-R58)中的传热管进行堵管操作、管板照用的建议。

传热管堵管是被广泛接受和认可的工艺。在SG出厂前及在役阶段，传热管抽检是SG安全检查的重点项目之一。对于检查不能满足设计要求的传热管进行堵管操作。本SG出厂前允许不超过5根传热管堵管。运行阶段，按照惯例，一般允许对10%的传热管进行堵管操作。然而过多的传热管堵管影响SG的传热效率，甚至影响核电厂的经济效率。

2 管板制造超差的结构安全分析

SG的下封头、管板和传热管是反应堆冷却剂系统压力边界的一部分，因此必须保持其结构完整性。根据设备规范书要求，该SG设计应满足ASME规范第Ⅲ卷NB分卷[1]的要求。

SG的应力、疲劳和断裂分析及评定在其加工制造前均已完成。针对SG二次侧孔桥超过设计值的情况，本文重点介绍传热管管板孔桥超差情况下的结构安全性分析。分别从管板的结构完整性、管孔超差不符合项对流致振动的影响、堵管后的传热管应力、传热管堵管后对孔桥强度的影响、孔桥超差导致的传热管接触磨损等方面进行了结构安全性分析，期望能对后续的核设备安全审查和设备制造单位提供建设性的意见。

2.1 管板结构完整性分析

该SG管孔有上万个，发生超差的管孔3个，受影响的孔桥仅6处，因此对于发生超差的管板，可应用ASME BPVC第Ⅲ卷第1册附录[2]A-8143推荐的方法进行分析，即仍按正常的管板进行应力、疲劳和断裂分析，但需对发生超差孔桥增加如下内容的分析评定：

1) 孔带平均应力强度限值为3Sm；

2) 窄孔带中的峰值应力强度应通过考虑累积损伤加以限制，该峰值应力强度的计算可用名义厚度孔带的峰值应力强度乘以文献[2]中图A-8143.2-l给出的Km值。

传热管堵管后无一次侧流体流动。管板孔桥的温度始终仅受流经被堵管周围传热管中的一次侧流体控制。3根传热管堵管与不堵管，对于管板温度场分布是相同的。未发生超差的SG管板的强度分析模型如图2所示。

图2 SG管板有限元模型

根据ASME Ⅲ NB表NB3217-1，不符合项超差孔桥处的应力是二次应力或峰值应力，3个超差孔不影响管板一次应力。根据强度分析结果，应用ASME BPVC附录A-8143条款修正，得到窄孔带的峰值应力强度，并在此基础上完成疲劳评定。一次加二次应力评定和疲劳分析只考虑正常和异常工况的瞬态，其他工况不受该不符合项的影响。管板典型位置的评价结果列于表1。

表1 管板典型位置的评价结果

分析结果满足ASME BPVC附录A-8143的要求；管板结构完整性分析满足ASME规范要求。

2.2 管板孔桥超差不符合项对流致振动分析的影响

SG二次侧流场采用ATHOS软件包计算。考虑到SG管束区几何结构的复杂性，ATHOS软件在实际处理时基于多孔介质概念[3]，以“分布阻力”的方式考虑传热管等固体对流场的影响，即将孔隙率、阻力系数等参数引入控制方程，以考虑固体对流体的影响。

二次侧孔隙率和阻力系数与传热管的布置方式(包括管径、节距等)有关，程序计算时输入整体传热管的布置方式和特征值，不考虑局部真实几何特征。而对于多孔介质模型，每个计算网格内包含数根传热管，同样不考虑局部真实几何特征。目前，该方法已被大量工程实践经验证明有效，ATHOS软件也得到了实堆运行参数的验证。

管板孔桥超差传热管堵管属于局部变化。计算输入的孔隙率和阻力系数不会因局部的微小变动而发生改变。基于多孔介质模型，每个计算网格内包含数根传热管，因此计算得到的平均流场不会因管板孔桥超差而发生变化。

综上所述，管板孔桥超差则传热管堵管，传热管流致振动的设计输入二次侧流场分布与原设计相同。

传热管流致振动分析评估时基于平均流场，并结合管径、节距等参数计算得到最大管间流速进行评估，合理且保守。采用SG流致振动专用程序计算得到各典型位置传热管直段热端、直段冷端及弯管段的流弹性稳定比。

受管板制造超差影响的传热管包括Row57～Row59。传热管由4组抗振条支撑，弯段半径最大的传热管为Row63。从流致振动角度看，Row63传热管的无支撑跨距大于Row57～Row59传热管的，对Row63传热管的流致振动分析结果可包络Row57～Row59传热管。假定管孔超差发生在Row63传热管，则计算Row63传热管的最大流弹性稳定比FSR为0.20，考虑设计允许的制造公差，最大FSR=0.20×1.06=0.21。

SG的传热管外径为D，设计间距为P，理论管间流流速U与来流速度U0间存在如下关系：

U=U0P/(P-D)=3.36U0

(1)

管板制造超差后，传热管间最小间距变为P′-D，此时受管板制造超差影响的局部管间流速U′可表示为：

U′=U0P′/(P′-D)=10.20U0

(2)

管板制造超差发生后，与原设计相比，局部管间流速最大变为原设计的U′/U=3.04倍。事实上，管间流速受管板制造超差影响的区域仅限于管板与第1块支承板之间，且该区域流速影响也随管板距离的增加而减小。保守而言，分析评估时假设Row63传热管横向流速均变为原设计的3.04倍。

流弹性稳定比FSR及相关有效流速Uen、临界流速Uc可按下式计算：

FSR=Uen/Uc

(3)

(4)

(5)

式中：β为流体弹性稳定常数；fn为第n阶固有频率；δn为第n阶对数衰减率；ρj为节点j处二次侧流体密度；ρ0为二次侧流体参考密度；Uj为节点j处横向流速度；φjn为第n阶固有频率下节点j处的模态位移；Δzj为节点j所属的两相邻单元长度之和的1/2；mj为节点j处结构单位长度的实际质量；m0为结构单位长度的参考质量。

考虑式(4)、(5)和管板制造超差，临界流速保持不变，有效流速为原设计的3.04倍，故Row63传热管的流弹性稳定比FSR=3.04×0.21=0.64。仍小于SG设计规格书及ASME BPVC-Ⅲ-1-附录N的限值。因此该不符合项仍满足规格书及ASME规范对流致振动的要求。

2.3 堵管后的传热管应力分析

标准的SG传热管分析表明，传热管在一次侧和二次侧设计瞬态下满足疲劳评定要求。被堵的3根传热管，管内是空气，堵管后不受一次侧设计瞬态的影响，仅受二次侧设计瞬态的影响，且传热管管壁也极薄，因此不影响对疲劳分析的评定结果。

由于采用堵管方案，传热管内部不承受一次侧压力，传热管仅受到外侧二次侧压力载荷。因此载荷工况包括二次侧压力载荷和设计机械载荷。对设计工况、运行工况和试验工况进行了分析和评价。未堵管与堵管的应力比较列于表2。

表2 未堵管与堵管应力结果

一次侧的设计压力为17.24 MPa、二次侧的设计压力为8.27 MPa。未堵管的传热管受到的压差为8.97 MPa，堵管后传热管受到的压力为二次侧压力，压力值略变小，加之传热管堵管，刚度增大。堵管后的应力值变小是合理的。计算结果表明，受影响的传热管能满足规范要求。

2.4 传热管堵管的压差对孔桥强度的影响

图3 考虑超差的堵3根传热管的孔桥有限元模型

由于堵管后，被堵的传热管和未堵的传热管的孔桥间存在压差。为考虑压差对孔桥的影响，对最小孔桥堵管、未堵管的情况进行了有限元分析。模型中考虑了实际的孔桥超差。考虑孔桥超差，堵管后的孔桥应力分析有限元模型如图3所示。同时也进行了无超差发生即正常孔桥的孔桥强度分析，这3种情况的应力结果列于表3。

表3 未堵管与堵管考虑孔桥超差的应力结果

通过比较发现，对于孔桥超差，堵管后孔桥处的应力强度变小，表明堵管起到了局部补强的作用。传热管堵管的压差对孔桥强度不会产生不利影响。

2.5 孔桥超差导致的传热管接触磨损问题

对于目前的孔桥超差情况，在役运行期间超差孔传热管与周围的传热管之间是否会发生接触磨损是需要关注的另一个问题。

对于安装在3个有超差的管板深孔的传热管，针对传热管之间的间隙，计算了实际管板孔位置对传热管的影响。实际的管板孔位置，能保证传热管的穿管和胀管工艺顺利进行。考虑垂直作用于传热管的均一载荷，计算了传热管的挠度。通过计算证明3个有超差的传热管和相邻的传热管之间不会发生接触。

3 结论

对于SG传热管管板孔桥超差的不符合项，从以上几个方面进行了详细的结构安全性分析。孔桥超差发生后，对发生超差的3根传热管进行堵管处理，堵管处理后的传热管和传热管管板满足SG技术规格书的强度、位移、流弹性稳定比等方面的限值要求。另外，从传热管的胀管、穿管和无损检测等方面也进行了详细的审查。在役阶段，需加强被堵管的相邻传热管的跟踪检查，确保SG的质量和安全运行。

在该不符合项的审评过程中，得到了上海核工程设计研究院张锴、张可丰、梁星筠和祖洪彪等专家的大力支持，在此表示衷心的感谢。

参考文献：

[1] 美国机械工程师协会. ASME BPVC-Ⅲ 核设施部件建造规则:第1册附录[S]. 上海：上海科学技术文献出版社，2004.

[2] 美国机械工程师协会. ASME BPVC-Ⅲ 核设施部件建造规则:第1册NB分卷[S]. 上海：上海科学技术文献出版社，2004.

[3] SCOTT D A. Heat exchanger design and theory source book[M]. Washington D.C.: Scripta Book Co., 1976.