设备管嘴与管道的耦合分析

[摘 要]根据ASME规范，对于需要役前检查和在役检查的管口焊接前需要进行镗孔处理，镗孔后管道的壁厚将减薄，但必须满足管道的最小壁厚要求。管道制造公差一般大于设备管嘴的制造公差，根据设备管嘴内径进行管道镗孔后会出现管道壁厚不满足要求。通过设备管嘴的设计分析以及管道的预制分析，找出根本原因，通过管道最小壁厚优化设计、管道布置优化及管道预制后的校形措施，避免镗孔后管道壁厚不满足要求。

[关键词]管嘴 在役检查 管道预制 最小壁厚 椭圆度

中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）07-0030-01

安全阀和稳压器之间通过14寸管道连接【1】，根据ASME分类管道属于安全A级，抗震Ⅰ类。根据ASME Ⅺ稳压器安全释放管嘴处的焊缝需要进行役前检查和在役检查，根据ASME要求管道需要进行镗孔加工【2】，镗孔后管道壁厚会减薄。管嘴的内径选择需要考虑外部接管的匹配性。

一、理论设计分析

根据稳压器的设计，每台稳压器顶部有两个自动泄压/安全阀管嘴，稳压器的安全释放管嘴名义管径为14英寸（标准外径355.6mm）。由于稳压器安全释放管嘴自带安全端，现场无法对设备管嘴进行镗孔，只能对管道进行镗孔，所以管道内径必须小于管嘴内径。

根据系统设计压力和温度，管道名义管径选择14英寸，壁厚S-160。根据ASME B36.10M【3】，管道外径为14英寸（355.6mm），壁厚为1.406英寸（35.71mm）。根据ASME SA-312管道的壁厚允许公差为-12.5-15。管道的最小壁厚为名义壁厚的0.875倍，即31.25mm。

根据ASTM A-999/A-999M不同管径管道的外径公差，14英寸管道的外径允许公差为-1/32-3/32英寸（-0.8mm-2.4mm）。根据管道的外径公差和壁厚公差可以计算出对应的内径，见表1。

管道外径取最小值，壁厚取最小值的情况下，内径值292.3mm是最不利的情况，管嘴的内径选择为292.3mm。根据ASME 第3卷 NB-4233，对于不可达内表面部件的对中要求：环向接头同心对中时，接头周原上各点的均匀错边量最大0.8mm。管道允许的最大内径值为293.9mm。根据表1，管道外径取最大值，壁厚取最小值时管道内径为295.5mm，管道内径大于设备管嘴内径，管道无法镗孔。

二、预制分析

根据稳压器安全释放管嘴布置，管嘴与垂直中心线之间存在夹角，此处管道布置采用了3D弯管。根据管道预制规范PFI ES-24及管道设计准则，管道弯曲后壁厚将减薄，在管道壁厚选择时需要考虑减薄因子。

弯管如图2.1所示，s段为煨弯后的切线段。如煨弯后端面距离起弯点较近，管道端面将出现一定的椭圆度。根据ASME第三卷NB-4223.2规定，弯管区管道弯曲后的椭圆度不应超过8%。

在道名义外径为355.6mm，煨弯后管道最大外径与最小外径的差值：

Dmax-DminQ355.6×8%=28.45mm

假定煨弯后管道均匀变形，弯曲区管道的最大外径为369.83mm，管道最小外径为341.37。根据设备管嘴内径292.3mm内径进行镗孔，在管道的最小外径处，壁厚最小为24.54mm，小于31.25mm的最小壁厚。

三、优化措施

焊缝要求在役检查的情况下，设备管嘴和管道设计无法耦合，可通过管道壁厚的优化，管道布置优化及管道预制后的校形满足镗孔后壁厚要求。

1） 管道壁厚的优化

根据最不利情况选取的设备管嘴内径为292.3mm，在管道外径取最大值，壁厚为最小壁厚的情况下，管道内径大于设备管嘴内径，管道无法镗孔。当设备管嘴内径加大后，镗孔后管道的壁厚将进一步减薄，不利于管道的设计，根据最不利点进行管嘴内径选择是最优方式。对于无法包络管道最大外径的情况，建议设备管嘴内径选择292.3mm，同时要求管道壁厚大于32.85mm，在管道外径取最大值时，内径小于292.3mm，满足镗孔的要求。

根据管道预制规范PFI ES-24【4】，14寸管道，S-160壁厚的3D弯管减薄因子为1.176，要求管道的壁厚t≥1.176td 。定制管道时，需要弯制的管道最小壁厚选择36.75mm，煨弯后的管道可够满足管道最小壁厚要求。

2）管道布置的优化

由于弯曲部分受椭圆度影响，镗孔后壁厚无法满足要求，可通过改变管道的布置，增弯管直段的长度，减少椭圆度对管道端部的影响。根据管道预制规范PFI ES-24，14寸管道的切径长度L2≥OD+6inch。所以管道布置时L2的长度不小于20英寸，切径长度越长，端面受椭圆度的影响越小。

3）管道预制后的校形

在管道布置空间有限的情况下，管道布置的切径长度小于20英寸，管道预制后需要进行校形，减少端部的椭圆度。假定管道均匀变形，管道名义外径355.6mm的情况下，管道外径差允许最大1.6mm，椭圆度小于0.45%。

四、结论

通过设备管嘴与管道的设计的耦合分析，发现采用最不利点的管道外径及最小壁厚进行管嘴内径设计，无法包络所有工况。通过提高最小壁厚要求，优化管路布置及管道校形的方式，可以保证设备管嘴与管道设计的耦合，保证镗孔后管道壁厚满足要求。

参考文献

[1] 林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008，5.

[2] ASME Ⅺ，Rules For Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components[S].

[3] ASME B36.10M，Welded and Seamless Wrought Steel Pipe[S].

[4] PFI Standard ES-24， Pipe Bending Methods， Tolerances， Process and Material Requirement[S].