RCC-M标准下的核电站1\2级管道等级设计方法

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　　摘要：在电站设计过程中，系统设计专业根据工艺需要，为工艺管道确定设计压力、设计温度、质量等级、管道材料（碳钢或不锈钢）等系统参数。为了满足不同系统设计要求，在管道布置中必须为管道指定符合承压要求的壁厚，这些壁厚通过选择相应标准中的合适标准壁厚系列来完成，即确定管道的等级。
　　建立管道等级的目的是为某个设计区域（Design Area）指定一个唯一的管道等级。在管道等级中为该设计区域中所有尺寸的管道和管件指定一个唯一的壁厚系列。管道等级计算的最终结果是形成一整套符合该压力等级的所有管道及管件的等级及制造的要求。
　　 本文旨在介绍一种核电站管道等级的设计方法，希望能为设计者提供一些参考。
　　关键字：核电站，管道等级，设计方法
　　Abstract: In the design process, system design determines the design pressure, design temperature, quality grade, pipe materials for process piping (carbon steel or stainless steel) and other system parameters according to the process requirements. In order to meet the design requirements of different system, in the pipeline arrangement must be specified in accordance with requirements of the wall thickness of pipeline pressure. Specify a unique series of thickness for all pipe sizes the design area and pipe fittings in the piping class. The final results of pipeline grade calculation are the formation of all piping and fittings level and manufacturing requirements of a set of consistent with the pressure rating. This paper introduces a design method of nuclear power plant piping class, hoping to provide some reference for designers.
　　Keywords: nuclear power plant, piping classes, design method
　　
　　中图分类号： U173 文献标识码：A 文章编号:
　　
　　1基本数据
　　1.1 标准压力等级
　　管道压力等级可以ANSI B16.5 中的材料压力等级为基础，在此基础上进行一些保守处理，以提高设计安全性。在具体使用过程中，根据管道法兰选用的材料与ANSI B16.5中已经存在的材料的材料力学性能相似的原理，选用ANSI B16.5中不同材料组的标准压力等级。为了使管道等级更加保守，在标准压力等级使用过程中给出了0.9的安全系数，即将所有的温度下的压力值乘以0.9后使用。
　　ANSI B 16.5中给出的各个法兰材料组对应的标准压力等级表，管道的压力等级由法兰的压力等级决定。
　　以RCC-M为参考标准的电站设计可选用A48AP、Z2CND1812和Z2CN1810做为管道和法兰材料，它们分别对应ANSI B16.5中的材料组 1.1、 2.2 和 2.3，因此，可以得到这三个材料组的标准压力等级。
　　标准压力等级包括了150#、300#、400#、600#、900#、1500#和2500# 7个标准压力等级，但在实际设计过程中，由于采用的计算方法的缘故，可增加两个新的压力等级1510#和2510#，以提高管道压力等级的范围。关于这两个压力等级的形成将在后面进行解释。同时，也可以对部分等级进行合并。如：400#等级与600#等级进行了合并，400#等级不再使用。
　　1.2 管道材料力学性能
　　 材料的力学性能使用RCC-M技术附件APPENDIX ZI中给出的数值，材料Z2CN1810 和Z2CND1712在计算中使用这两种材料对应性能值中的最小值，这两种材料的力学性能非常相似，同时，也是一种计算的简化和保守。
　　 虽然RCCM-2级碳钢材料P355GH的各项力学性能都优于P280GH，但在计算过程中其力学性能采用P280GH的值。
　　1.3 管道标准系列及管道公称数据
　　 所有管道（主蒸汽、主给水管道除外）均采用ANSI B36.10 或ANSI B36.19中的标准管道，管件使用ANSI B16.5、ANSI B16.9和ANSI B16.28中的标准管件，计算过程中需要的数据也来自这些标准。
　　 计算中使用的管道基本数据包括：公称直径、外径、公称壁厚、壁厚系列。
　　1.4 系统设计参数
　　 管道等级中用的系统设计参数包括：管道名称、管道公称直径、设计压力、设计温度、质量等级（Q1 Q2）、材料（Carbon Steel 或 Stainless Steel）和设计区域（Design Area）。这些数据通过可通过系统流程图获得，设计系统设计的范围。
　　1.5 管道壁厚
　　 由于管道壁厚的选择并不是单一考虑其承压能力，还要考虑管道管件制造、管道刚度、介质腐蚀、管道振动、可焊接性、管道承受外力的能力以及方便采购等因素，所以单一的根据承压能力计算出来的管道壁厚是无法直接得到最终的壁厚的。因此管道等级的计算并不是采用计算最小壁厚后，直接得到成品壁厚的方法，而是采用先选定壁厚系列，再通过对其承压能力进行核算的方法来确定最终壁厚的。
　　 管道壁厚选择的几个原则：
　　管道壁厚从ANSI标准壁厚中选择，使用标准管道壁厚系列；
　　相同压力等级，相同尺寸的管道只选用单一的壁厚系列；
　　管道壁厚系列的选择是一个经验积累的过程，需要在长期的核电设计中不断调整和优化，最终形成一套基本确定的管道壁厚系列，在不同电站设计中基本都采用确定的壁厚。在这些已经形成的壁厚系列的基础上调整就比较容易。
　　1.6 弯管弯曲半径
　　弯管弯制过程中壁厚会有减薄，这导致弯管有可能成为管道系统中承压能力较薄弱的部分，因此在管道等级计算中需要考虑弯管的壁厚减薄。根据RCC-M中的规定，弯管的壁厚减薄通过限制其弯管半径来控制，同时对不同弯管半径给出了其进行壁厚折损。折损的基准壁厚是相应的管道最小预制壁厚。
　　由于弯管的壁厚折损系数在管道压力等级计算过程进行了考虑，所以计算中确定的最小弯曲半径必须在管道设计中加以限制，反映到管道布置中去，是设计输出的一部分，不能超过计算中使用的值。
　　在某些管道等级计算中，该等级某个尺寸管道的弯管的确会成为该等级中承压能力最弱的部分，在这种情况下，为了提高该等级的压力值，可以采用限制弯曲半径的方法，使弯管的承压能力提高。
　　1.7 弯头壁厚及壁厚余量
　　弯头是管道等级计算中需要考虑的另外一个因素，因此，根据管道壁厚，选择对应壁厚的弯头，并根据RCC-M中给出的计算公式确定弯头最小壁厚。
　　1.8 管道制造公差
　　管道壁厚制造公差通常为12.5%，但最小不小于0.4mm。对于部分特殊管道，则使用特殊的制造公差，这些公差的必须在采购文件中提供给供应商遵守。
　　1.9 腐蚀余量
　　不锈钢不考虑其腐蚀，腐蚀余量为0 mm，碳钢管道的腐蚀余量使用1.6 mm。
　　2 压力等级计算
　　 压力等级计算的目的是根据管道的质量等级、管道材料，建立一条温度-压力曲线，这条曲线规定了该压力等级在不同温度下的最高压力限制，通过该曲线可以把不同设计温度和设计压力的设计区域归入不同的压力等级中，从而为该设计区域不同尺寸的管道指定壁厚。
　　 压力等级的最高压力上限由该压力等级的各个尺寸管道最高压力上限的最小值决定，需要对该压力等级下所有尺寸的管道进行计算。除管道外，压力等级计算还要考虑弯头和弯管在设计工况和水压试验工况下的承压能力。
　　 水压试验压力使用设计压力的1.5倍，试验温度恒定为60摄氏度。
　　2.1 单一管道各个温度下最大允许压力值确定
　　压力等级中，某个尺寸管道在某温度下最大允许压力由以下5个值中的最小值决定：
　　管道所在标准压力等级值乘以0.9；
　　弯头设计工况下最大承压值；
　　弯头水压试验工况下最大承压值；
　　弯管设计工况下最大承压值；
　　弯管水压试验工况下最大承压值。
　　2.2 压力等级在各个温度最大允许压力值确定
　　某个压力等级在各个温度下的最大允许压力值由该等级中所有管件的最大允许压力值中的最小值决定。
　　3 压力等级建立的基本思路
　　压力等级的计算是在ANSI B16.5的基础上进行的，但是ANSI B16.5中的标准压力等级是独立的，仅仅与管道材料有关，与管道的尺寸没有关系。在核电站实际管道等级中，压力等级不但与材料有关，还综合考虑两种管件（弯管、弯头）及他们在两种工况（设计工况和水压试验工况）下承压能力。
　　某个压力等级中使用的所有管道都参与了压力等级的计算，成为建立压力等级的影响因素，但它又受到压力等级的限制。这样必须确认最终确定的压力等级中包含的所有管道都参与该压力等级的计算。在该等级中如果有新的设计区域要加入，必须对其进行检查，如果设计区域中包含该等级计算中不存在的管道尺寸，就必须对压力等级进行重新计算，得出新的压力允许值后，得到更新后的压力等级，再判断该设计区域是否可以指定为该压力等级。
　　在管道等级建立的过程中，设计区域或管道有可能是逐渐增加，逐渐加入到管道等级表中，这样就有可能不断有新尺寸的管道出现，压力等级也在不断的更新。压力等级的更新也可能导致某个压力等级的允许最高压力值降低，使某些设计区域不再被其所在的压力等级包络，导致某个设计区域压力等级的变化。这将影响到管道的计算、布置和采购。
　　解决上述问题的办法有两种。
　　第一种是在压力等级建立时，为该等级中所有可能用到的管道尺寸选定壁厚系列（除非能够确定该尺寸的管道确实不会使用），让所有尺寸的管道都参与到等级建立，建立完整的压力等级。这样在后续设计区域逐渐增加时，就不会出现新尺寸的管道。实际上，这种办法同时也导致各个压力等级的最高允许压力的普遍降低，造成材料的浪费。
　　第二种是为新增加的管道选用更高的壁厚系列。选用更高的壁厚可以保证该管道即使参与压力等级的计算，也不会成为影响该等级最大允许压力的因素，从不避免对原有压力等级进行重新计算。
　　基于相同原型电站的核电站，管道设计工作已经基本成型，不同项目之间的设计调整不会太大，因此已经使用的管道尺寸也基本稳定。这样最终的可以建立一个稳定的压力等级。
　　所谓稳定的压力等级是指，在压力等级计算中使用的各种管道尺寸与电站实际使用的管道尺寸有着一一对应的关系。没有使用的管道也没有参与压力等级的建立，参与了压力等级计算的管道，在电站中都在使用。在这种等级建立思路中，这是最理想的状态，它既保证了压力等级压力值的稳定，也保证了设计区域压力等级的稳定。
　　4 辅助压力等级的产生
　　 在ANSI B16.5中，标准压力等级具有独立性和连续性的特点，独立性指其与管道尺寸无关，只与材料有关。而连续性则值其压力等级划分后，某个温度下压力值是连续的，低等级的压力上限是高等级的压力下限，每个设计压力都可以归到不同的压力等级中。
　　 在压力等级建立中，可采取一些保守方法，如对标准压力等级使用0.9的安全余量、管道承压能力限制了压力等级的最高允许压力值等，这些方法都只能会使标准压力等级曲线下降，破坏了其连续性特点。
　　5 标准压力等级与管道承压能力的相对关系
　　新的压力等级中压力最高的受到两个值的限制，一个是标准压力等级，外一个是管道（管件）的承压能力。基于这个原因，在新的管道等级中有以下三种情况发生：
　　第一种情况：某等级的压力限由ANSI B16.5中压力等级值（乘0.9）决定，材料的承压能力远超过等级允许的压力值，这个区域可以称为“等级限制区”。这种情况多发生在较低的压力等级中，如600# 以下的压力等级。因为低等级的管道虽然壁厚系列低，但其管道的承压能力强。在这个区域中基本不用考虑管道承压能力，压力等级实际上就是标准压力等级的0.9倍。
　　表面上看，这个区域内的管道壁厚远超过其所在的压力等级，壁厚选择过大，有一定的浪费。但管道壁厚选择并不是以其承压能力作为唯一的依据，承压能力以外的影响也必须考虑，尤其是小管，很小的壁厚就可以承受较大的内压，但其刚度将无法保证。
　　第二种情况：某些压力等级中等级压力与材料的承压能力基本相当，两者都可能成为等级压力的制约因素，这个区域可以称为“持平区”，如900#。
　　第三种情况：更高等级中，新的压力等级的上限由管道的承压能力决定，这时，由于管道的限制，使新的压力等级上限小于标准压力等级，从而使压力等级的压力范围进一步变窄（在标准压力值的0.9倍的基础上变窄），表现为等级曲线进一步降低，这个区域称为 “管道限制区”， 如1500# 、 2500# 。这个区域中最高压力等级（2500#）显著下降。
　　6 新压力等级中辅助压力等级的建立
　　管道压力等级计算中，虽然标准压力等级的上限都有降低，但是其下限却一直被作为新压力等级的下限使用。
　　每个标准压力等级下限不变，上限降低造成的结果有两个，一是压力不再保持连续，二是新的压力等级所能包络的最高压力值大幅降低，无法包络电站系统设计中的最高系统压力。
　　电站设计中使用的管道较多，系统工况复杂，设计压力和设计温度变化也很大，系统涉及到的压力值分布较广，可能会覆盖所有的压力值，因此我们必须保持新的压力等级的连续性，同时提高最高压力等级的上限值。
　　恢复压力等连续性和提高最高压力等级上限的方法是为新的管道等级增加辅助压力等级 如增加1510# 和 2510# 两个辅助压力等级。
　　辅助压力等级的建立除了能够保证压力连续和提高最高压力等级上限外，还有节约材料的作用。辅助压力等级的直观理解是将某个压力等级分解成为两个压力等级，辅助等级就是稍高一点的等级。辅助等级的建立，使原有的等级在分解为两个等级后，可以有不同的壁厚选择，从而使材料可以充分利用。一般情况下，管道对压力值的限制都发生在较大尺寸的管道上，辅助等级的建立，能够使较大尺寸管道壁厚的选择更加合理，对材料节约的贡献更为显著。
　　7 结论
　　 管道压力等级是核岛设计的重要过程，根据RCC-M中给出的管道承压能力的计算方法，包括管道和管件，在ASME标准的基础上可以建立一套完整的管道等级表。在这个等级表建立的过程中需要对该管道等级中所有尺寸的管道进行计算，这个过程是一个反复计算，逐渐积累的过程。建立管道等级的方法可以有多种，本文旨在介绍其中的一种计算方法，供相关设计者参考。

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