核电厂蒸汽发生器管板厚度计算方法研究

李冬慧　鲁佳　胡彧　田雅婧　袁宏

【摘 要】核电厂蒸汽发生器管板厚度计算是压水堆一回路系统承压边界尺寸计算的关键。本文采用TEMA标准和ASME VIII-1标准对包括蒸汽发生器传热管节距、布管圆直径、管板外径、筒体连接段厚度等主要参数的变化对管板厚度计算的影响进行对比计算分析，研究蒸汽发生器管板厚度计算标准应用特点。

【关键词】蒸汽发生器;管板;厚度计算

中图分类号： TL353.13文献标识码： A文章编号： 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

蒸汽發生器是压水堆核电厂核岛内三大重要设备之一，俗有“核电之肺”之称。它是一、二回路的边界，将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧并产生品质合格的蒸汽用以推动汽轮机发电。压水堆核电厂多采用立式U型管式自然循环蒸汽发生器，管板是一、二次侧压力边界，并且有开孔与传热管胀接连接。因此，管板厚度计算是蒸汽发生器承压边界尺寸计算的关键。在蒸汽发生器设计过程中，一般先采用换热器设计标准初步确定管板计算厚度，再根据工程经验确定管板厚度并按相关规范标准进行分析设计。

本文基于某核电机组蒸汽发生器设计参数（如表1所示），采用TEMA[1]标准和ASME VIII-1[2]（以下简称“ASME标准”）对包括蒸汽发生器传热管节距、布管圆直径、管板外径、筒体连接段厚度等主要参数对管板厚度计算的影响进行对比计算分析，研究不同蒸汽发生器管板厚度计算标准的应用特点。其中，应用TEMA标准可直接计算最小管板厚度，ASME标准是对管板厚度进行校核计算，本文采用数值分析软件编程迭代计算最小管板厚度。由于两个标准均基于剪切强度和弯曲强度确定管板厚度，因此本文在进行计算过程中，分别基于弯曲强度、剪切强度确定最小厚度，并按各标准要求确定管板计算厚度。

1 计算方法简介

本节计算方法中采用的TEMA标准和ASME标准计算公式较多，以下关于标准简介中采用与标准相同符号，并且只介绍主要计算公式。

1.1 TEMA标准

TEMA标准是美国管式换热器制造商协会制定的标准，其关于U型管式换热器管板厚度计算方法是分别按照弯曲强度和剪切强度计算，最终计算厚度取二者中较大者。计算公式如下：

1.2 ASME标准

ASME标准是美国机械工程师协会制定的标准，其关于U型管式换热器管板厚度计算主要是对于给定管板厚度分别按照弯曲强度，剪切强度，与管板连接的壳体（二次侧筒体）中的连接段内轴向应力、与管板连接的壳体（一次侧封头）中的轴向应力校核计算，满足校核要求即可确定管板厚度。计算方法如下：

2 结果与讨论

2.1 传热管节距对管板计算厚度的影响

在布管圆直径为3000mm，管板外径为3500mm，一次侧连接段厚度为190mm，二次侧连接段厚度为100mm条件下，采用ASME标准和TEMA标准分别计算节距为25mm、26mm、27mm、28mm、29mm时最小管板厚度，计算结果如图1所示。

从图1可以看出，无论是采用ASME标准还是TEMA标准，管板计算厚度随传热管安装节距的增大而减小，并且采用ASME标准的计算厚度大于采用TEMA标准的，它们之间的差值随传热管节距的增大而增大。对于基于弯曲强度的计算，采用ASME标准计算的厚度大于采用TEMA标准计算的，而对于基于剪切强度的计算，刚好相反;并且基于弯曲强度和剪切强度，采用ASME标准和TEMA标准的计算厚度差值均随传热管节距增大而减小。由于ASME标准的计算管板厚度考虑一次侧和二次侧筒体连接段内轴向应力，而基于连接段内轴向应力的计算厚度大于基于管板弯曲强度、剪切强度的计算厚度，最终基于连接段内轴向应力强度的计算厚度决定管板计算厚度。从TEMA标准的计算结果可以看出，基于弯曲强度的计算厚度大于基于剪切强度的计算厚度。

2.2 布管圆直径对管板计算厚度的影响

在传热管节距为27mm，管板外径为3500mm，一次侧连接段厚度为190mm，二次侧连接段厚度为100mm条件下，采用ASME标准和TEMA标准分别计算布管圆直径为2800mm、2900mm、3000mm、3100mm、3200mm时管板最小计算厚度，计算结果如图2所示。

从图2可以看出，基于弯曲强度的计算，随着布管圆直径的增大，采用ASME的计算厚度会随之增大，而采用TEMA标准的计算厚度保持不变，并且当布管圆直径小于2900mm时，采用ASME标准计算的厚度小于采用TEMA标准计算的，当布管圆直径大于或等于2900mm时，采用ASME标准计算的厚度大于采用TEMA标准计算的，它们之间的差值随布管圆直径增大而增大;基于剪切强度的计算，两种标准计算的厚度均随布管圆直径增大而增大，并且采用TEMA标准计算的厚度要高于采用ASME标准计算的，它们之间的差值随布管圆直径增大而增大。采用ASME标准计算时，基于连接段内轴向应力的计算厚度决定管板计算厚度，并且管板计算厚度随布管圆直径的增大而减小;采用TEMA标准计算时，基于弯曲强度的计算厚度大于基于剪切强度的。

2.3 管板外径对管板计算厚度的影响

在传热管节距为27mm，布管圆直径为3000mm，一次侧连接段厚度为190mm，二次侧连接段厚度为100mm条件下，采用ASME标准和TEMA标准分别计算管板外径为3200mm、3350mm、3500mm、3650mm、3800mm时管板最小计算厚度，计算结果如图3所示。

从图3可以看出，采用ASME标准计算时，基于弯曲应力和剪切应力计算的厚度不随管板外径变化，基于连接段内轴向应力强度的计算厚度决定管板计算厚度，并且管板计算厚度随管板外径增大而减小。采用TEMA标准计算时，基于弯曲应力的计算厚度随管板外径增大而增大，而基于剪切应力的计算厚度保持不变。对于基于弯曲强度的计算，当管板外径小于或等3500mm时，采用ASME标准计算的厚度大于采用TEMA标准计算的，当布管圆直径大于3500mm时，采用ASME标准计算的厚度小于采用TEMA标准计算的;对于基于剪切应力的计算，两种标准计算的厚度不随管板外径改变，并且采用ASME标准计算的厚度均小于采用TEMA计算的。

2.4 一次侧连接段厚度对管板计算厚度的影响

在传热管节距为27mm，布管圓直径为3000mm，管板外径为3500mm，二次侧连接段厚度为100mm条件下，采用ASME标准和TEMA标准分别计算一次侧连接段厚度为185mm、190mm、195mm、200mm、205mm时管板最小计算厚度，计算结果如图4所示。

从图4可以看出，对于基于弯曲强度的计算，采用ASME标准计算的厚度都随一次侧连接段厚度增大而增大，采用TEMA标准计算的厚度随一次侧连接段厚度增大而减小，并且采用ASME标准计算的厚度大于采用TEMA标准计算的。对于基于剪切强度计算，无论采用ASME标准还是TEMA标准，管板计算厚度随一次侧连接段厚度的变化而保持不变，并且采用ASME标准计算的厚度小于采用TEMA标准计算的。采用ASME标准计算时，基于连接段内轴向应力的计算厚度决定管板计算厚度，并且管板计算厚度随一次侧连接段厚度增大而减小;而采用TEMA标准计算时，基于弯曲强度计算的厚度大于基于剪切强度计算的，决定了管板计算厚度，并且随一次侧连接段厚度的增大而增大。

2.5 二次侧连接段厚度对管板计算厚度的影响

在传热管节距为27mm，布管圆直径为3000mm，管板外径为3500mm，一次侧连接段厚度为190mm条件下，采用ASME标准和TEMA标准分别计算一次侧连接段厚度为90mm、95mm、100mm、105mm、110mm时管板最小计算厚度，计算结果如图5所示。

从图5可以看出，对于基于弯曲强度和剪切强度的计算，无论采用ASME标准还是TEMA标准，管板计算厚度都不随二次侧连接段厚度变化。对于采用ASME标准和TEMA标准，基于弯曲强度计算的厚度均要大于基于剪切强度计算的。采用ASME标准计算时，基于连接段内轴向应力的计算厚度决定管板计算厚度，并且管板计算厚度随二次侧连接段增大而减小;而采用TEMA标准计算时，基于弯曲强度计算的厚度大于基于剪切强度计算的，决定了管板计算厚度。

3 结论

1）ASME标准和TEMA标准是换热器管板设计的常用标准，一般地，采用ASME标准计算厚度要大于采用TEMA标准计算的。在核电厂蒸汽发生器管板厚度计算时，建议优先采用ASME标准。

2）ASME标准考虑管板了弯曲强度、剪切强度及一、二次侧筒体连接段中的轴向应力，其中一、二次侧筒体连接段内的轴向应力对管板计算厚度的大小起主导作用。

3）ASME标准和TEMA标准计算中，基于弯曲强度计算的管板厚度均要大于基于剪切强度计算的管板厚度。

【参考文献】

[1]美国管式换热器制造商协会标准（TEMA），2007.

[2]ASME锅炉及压力容器规范国际性规范.第Ⅷ卷第一册 压力容器建造规则，2010.