弯管代替弯头—实现核电站经济性与安全性的双赢

弯管代替弯头—实现核电站经济性与安全性的双赢

兰麒 刘贺同

（中国核电工程有限公司）

【摘要】本文研究采用弯管代替弯头的优化方案对核电站经济性和安全性的影响，并通过力学计算实例对弯管代替弯头后核级管道的应力指数和盈利结果进行分析对比，对该优化方案的有效性进行验证。本文可对华龙堆型优化设计和未来新堆型设计提供指导，具有一定的参考价值。

【关键词】弯管；弯头；应力

1. 引言

弯头作为改变管路方向的一种管道配件，在各代核电站的管道布置中应用都非常广泛，例如在漳州1、2号机组的管道设计中，在大多数管道走向变化处均采用弯头作为连接件，而较少采用弯管形式。本文将从经济性和安全性两个方面对弯管替代弯头的优化方案进行阐述。

2. 经济性提升分析

1. 提升设计经济性

由于弯曲部分的应力增加系数与1/R^2/3由(R为弯曲半径)成正比，大弯曲半径的弯管使管道系统应力分布更均匀，受力更合理，有利于减少管道支吊架和阻尼器的数量以及LBB技术实施。

2. 提升制造经济性

在制造工艺上，弯管相比弯头，能够直接使用弯管机对现成的直管进行弯制，一次性完工，无需厂家定做，不用做二次防腐，生产周期短，价格便宜。在核电站的庞大的管道系统中，管路错综复杂，对此类管件的需求量巨大。因此，采用弯管可以在很大程度上降低制造成本并缩短制造周期，具有良好的经济性。

（三）提升施工经济性

每个弯头的两端均需设置焊缝，并在施工现场施焊，使用弯管可以有效减少焊缝总数量，有利于减少现场焊接的工作量，降低建造成本。此外，采用弯管连接可以让工程师灵活的定位管道系统中的焊缝。对于一些难以焊接的位置（如靠近贯穿件的弯头），或想要减少一些距离过近的焊缝（如靠近阀门的弯头），采用弯管连接都是很好的选择。

（四）提升在役检查的经济性

管道焊缝区域往往是缺陷易发区，按照核安全相关法规的要求，核电站运行期间需要定期开展在役检查，采用弯管连接后管道系统中的焊缝数量大大减少，在役期间对焊缝的无损检测的工作量也会大大减少，进而可以减少整个电厂使用寿命期间所需的在役检查时间。对于典型的ASME规范焊缝检查每次的检查费用约为5000美元，由此推算每次大修中可以至少节省数万美元。此外，对于一些无法检查或者单已接近的焊缝，采用弯管连接也可以很好的解决。

（五）提升管道破裂事故预防措施的经济性

由于焊缝处的材料应力强度较低，易发生破裂引发管道甩击进而引起更严重的事故。因此对于重要管道系统（如主蒸汽系统），除了需要对大量焊缝位置采用泄漏前监测技术（LBB）外，还要安装大量的防甩支架。由于采用弯管大大减少了管道系统中的焊缝数量，因此可以很大程度降低泄漏前监测传感器和防甩支架的使用数量，在节约了大量空间的同时，经济成本和人力成本也都能得到显著降低。

（六）提升能效经济性

弯管的局部阻力小，可以降低管道阻力，提高核电厂经济性。根据DL/T5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》可知，采用90°弯管和弯头得局部阻力系数分别为0.20和0.25。可见，不计内径的变化和沿程阻力损失，仅局部阻力系数不同引起的局部阻力就相差25%。因此采用弯管能在一定程度上减少核电站运行过程中的能量损耗。

3. 安全性提升分析

采用弯管替代弯头的优化方案不但具有很好的经济性提升，同时具备良好的安全性，具体体现在以下几个方面：

（一）降低应力

弯管无需焊接，因此在与直管段连接处的应力指数更小，应力值更低，使管道系统应力分布更均匀，受力更合理。

（二）有利热胀

大半径更有利于吸收管道由热胀位引起的位移，进而降低由热胀引起的应力。

（三）缓解冲击

由于弯管的弯曲半径比弯头大很多，不仅降低了流体由于流向变化对管线的冲击，降低管道振动。

（四）提升质量

采用弯管可以大量减少焊缝总数量，有利于确保管道的质量，提高核电站的安全性。

（五）降低风险

采用弯管可以有效降低管道发生破裂和甩击等严重事故的风险。

4. 力学计算实例

下面以一段余热排出系统管线的力学计算为例验证弯管在降低管道应力方面的优势。

上图为本次计算管线的模型图，A/B/C/D/E/F分别为管道走向改变的6个位置，在此六处分别采用弯头和弯管进行建模，每个弯头/弯管处的节点号均一一对应，分别对两个模型进行力学分析计算，并比较计算结果。下表中列出两个模型弯头/弯管端部各节点的应力增强系数和应力的对比：

表1 节点应力增强系数/热胀和地震应力对比

由以上数据可以看出，无论是对于热胀应力还是地震应力，采用弯管的效果都大大好于弯头。

5. 结论

通过以上分析可知，采用弯管代替弯头的优化方案无论从节约经济成本的角度还是提升安全性的角度都能取得良好的效果。如果能在今后的华龙优化堆型和其他新堆型设计中合理利用布置空间，充分优化管道走向，尽可能采用弯管代替弯头的优化方案，必将实现经济性与安全性的双赢。

参考文献

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[2] RCC-M 规范2007版

[3] 王磊,管道弯管工艺在核电站的应用分析, 华电技术,2015:37-9

[4] Fujimotot,H.and Nakazato,E.,Improving Recirculation Loop Piping Design for Inservice Inspection.

[5] 轻水堆核电厂假想管道破损事故防护设计准则NB T 20516-2018