0.   引　言

“核2、3级管道支吊架改造项目”是秦山核电厂运行许可证延续（OLE）项目改造中的一项。随着技术的进步和验收标准的提高，核电厂部分管道支吊架已不能满足现行规范和准则的要求。“核2、3级管道支吊架改造项目”是为了解决定期安全审查提出的弱项，开展支吊架的改造设计，确保支吊架满足现行规范及准则的要求，以支持OLE的安全审评。受改造窗口期、厂房现有条件、改造施工量要求等因素的限制，项目需要在短时间内完成大量支吊架的设计改造，需要从设计之初就仔细斟酌设计方案，实现标准化、系列化设计，以提高设计效率，降低改造的风险和难度。结合现场情况，为了满足改造设计要求和相关法规标准，提出了2种特殊类型的管道支吊架改造设计方案，既可与已有标准系列支撑杆、管部件通配，也可利用现场原预埋板，满足现场安装要求，从而解决项目改造中的难题。

1.   特殊管道支吊架情况

在分析某系统管道支吊架的安装及承载情况时，发现现场存在1类典型的刚性支撑杆支架，如图1a所示，主要特征为约束方向与管道轴线不垂直，即管夹与支撑杆间的夹角小于180°。

图  1  项目涉及到的2类典型支架示意图

Figure  1.  Schematic Diagram of Two Types of Typical Supports Involved in the Project

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这类支架的刚性支撑杆部件约束方向与管道轴线不垂直，管夹本身不能承受螺栓预紧力，且管道上未安装止挡块，支架承受约束方向载荷时，载荷可分解为垂直于管道轴线和沿管道轴线的2个分量，其中沿管道轴线的载荷分量可能造成管夹沿管道轴向运动，导致支架无法满足功能性要求，且由于管夹同时承受2个方向的载荷，导致这类支架使用的管夹难以通过力学评定。

改造项目中的另1类典型支架如图1b所示，管夹与扁钢管座焊接连接后，放置在导向支架底板^[1]上，原设计旨在通过安装在导向支架底板上扁钢管座侧的钢板实现管道侧向约束，但由于扁钢管座两侧钢板高度很低，实际中支架对于管道侧向无法进行有效约束，故此类支架仅能实现单向托架的功能，无法满足导向约束的功能性要求，且通过对管夹的计算发现管夹本身也无法通过力学评定。

由于改造项目要求尽可能加强支架约束力，避免在核级管道上进行焊接等施工，同时需尽可能利用原支架预埋板在有限空间内进行改造，故这2类支架均有较高的改造难度。上述2类支吊架均无法满足设计的功能性要求，为使改造后支架满足ASME BPVC-III NF分卷^[2]对于管道支撑件的要求，故需要在有限的改造条件下对这2类支架进行改造方案设计。

2.   改造方案设计

上述2类支吊架的改造均需要利用现有厂房的安装条件，即原则上不改变支吊架形式和生根位置，同时需要满足原设计的约束方向，且满足ASME BPVC-III NF分卷^[2]的要求。

对于第1类刚性支撑杆支架，为避免在管道上焊接止挡块削弱管道自身结构强度和产生局部应力，设计具有预紧力的新型摩擦管夹，如图2所示。通过螺栓施加预紧力产生的摩擦力限制管夹沿管道轴向的运动，吊耳通过销轴与标准支撑杆和支承座相连，既可实现原设计的约束方向，又可以确保支撑杆和管夹承载能力满足要求。

图  2  具有预紧力的新型摩擦管夹

Figure  2.  New Type of Pipe Friction Clamp with Pretightening Force

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对于第2类导向支架，由于较大管径如DN200（DN表示公称直径）及以上管道的载荷较大，原设计使用的管夹无法满足要求，管部件需用方管门型框或深弓形管夹板以满足强度要求；此类支架生根位置多位于混凝土凸台上的预埋板，生根位置空间不足以单独使用方管门型框支架，故使用方管和钢板设计一种标准根部，与方管门型框（针对尺寸大或载荷大的管道）或者深弓形管夹板等标准管部件（针对尺寸较小且载荷较小的管道）组合形成导向支架，并设计加强筋对根部局部进行加强，如图3所示。

图  3  标准根部与方管门型框或深弓形管夹板组合导向支架　　　　　　

Figure  3.  Guide Support Combined with Standard Root and Square Tube Door Frame or Deep Bow Pipe Splint

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上述2类支吊架标准件设计均可依据实际情况进行设计，新型摩擦管夹可根据管径设计不同尺寸，而组合导向支架的标准根部则可改变方管大小及长度，可匹配不同的管部，以适应现有改造条件，同时满足对不同管径管道的承载能力要求。

3.   改造方案验证

3.1   验证依据

根据ASME BPVC-III NF分卷^[2]的规则对所设计的支吊架进行力学分析验证。

3.1.1   可以按照线弹性分析法计算的构件

（1）许用剪应力（F_v）：

（2）许用拉应力（F_t）：

（3）许用弯曲应力（F_b）：

（4）拉弯组合需满足：

式中，S_y为材料屈服强度；f_t为计算拉应力；f_b为计算弯曲应力。

（5）对于焊缝，许用剪应力（F_{weld_v}）：

式中，S_u为材料抗拉强度。

3.1.2   板壳类构件

（1）总体一次薄膜应力强度（P_m）：

（2）总体一次薄膜加一次弯曲应力强度（P_m+P_b）：

式中，S_m为设计温度下的许用应力强度。

3.1.3   螺　栓

（1）对于摩擦型接头螺栓，预紧力产生的应力须不小于抗拉强度的50%，但不超过抗拉强度的70%，即：$0.5{S_{\text{u}}} \leqslant {F_{\text{S}}} \leqslant 0.7{S_{\text{u}}}$（F_S为螺栓预紧力）。

（2）螺栓最大拉应力（F_{Bolt_t}）不超过F_S的0.8倍^[3]（$ {F_{{\text{Bolt\_t}}}} \leqslant 0.8{F_{\text{S}}} $），即螺栓许用拉应力（F_{Bolt_t}）和许用剪应力（F_{Bolt_v}）分别为：

（3）螺栓拉剪组合需满足：

式中，$ {f_{{\text{Bolt\_t}}}} $为计算拉应力；$ {f_{{\text{Bolt\_v}}}} $为计算剪应力。

（4）管夹与管道间许用摩擦力（P）为：

式中，μ为摩擦系数，取0.25；n为螺栓个数；l为剪切平面的数目；A为螺栓有效截面积。

3.2   验证结果

利用公式及有限元软件计算改造设计后支吊架的承载能力。实际工程应用中，可以直接对比管道计算所得的支吊架载荷与支吊架的承载力，判断管夹标准件及导向支架根部的选用是否能满足需求。

对于第1类支架的改造方案中以针对DN50管道设计的新型摩擦管夹为例，利用经典力学公式法对螺栓、吊耳、管夹在不同载荷下的应力、摩擦力分别进行核算，计算管夹的承载能力。同时利用有限元软件分析了螺栓预紧力对于管夹的影响，如图4所示，结果表明预紧力的取值大于等于管夹承载能力的1.2倍时，能够起到预紧防松的作用。

对于改造中某DN50管道支架，计算管道在该支架处载荷与管夹承载能力的比，且当管夹与支撑杆的夹角变化时，管夹的评定结果也有所变化，结果见表1。

图  4  螺栓预紧力对管夹的影响分析

Figure  4.  Analysis of Influence of Bolt Pre-tightening Force on Pipe Clamp

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表  1  新型DN50摩擦管夹与支撑杆在不同夹角情况下评定结果

Table  1.  Evaluation Results of New DN50 Friction Pipe Clamp and Bracing Piece Under Different Included Angles

管夹与支撑杆夹角θ	管道载荷与承载能力比值
180°	0.032
170°	0.061
160°	0.101
150°	0.138
140°	0.171
130°	0.199
120°	0.221
110°	0.237
100°	0.245
90°	0.246

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结果表明新型摩擦管夹与支撑杆夹角为180°时，管夹承载能力最好，这是管夹的最佳使用状态，当管夹与支撑杆有一定夹角时，管夹仍能在设计约束方向上起作用，但承载能力随夹角角度减小而降低。对于现场此类典型支架，管夹与支撑杆的夹角均较大，新型摩擦管夹具有较大的承载能力，能够确保实现支吊架在设计约束方向上的约束功能。

对于上述第2类导向支架，使用钢结构分析软件对根部方管及门型框所用方管进行评定；使用有限元软件对支架中的板壳部件进行评定，如图5所示，在钢板最大主应力处取线性化路径，对钢板进行评定，计算可得标准根部的承载能力。

图  5  标准根部钢板评定主应力云图及线性化路径

Figure  5.  Principal Stress Nephogram and Linerization Path from Plate Mechanical Analysis of Standard Support Root

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对于改造中部分DN200管道支架，使用已有管部件（深弓形管夹板或门型框）与不同尺寸标准根部进行组合，组合导向支架形式见图6。计算管道在支架处载荷分别与管部和根部承载能力比的最大值，得到各组合导向支架的评定结果见表2。结果表明，使用标准根部与已有管部件设计的组合支架能够承受管道载荷，同时能够实现导向约束功能。对于其他尺寸管道或者组合导向支架的根部方管长度L₁（图6）变化的情况，均可直接使用同样的验证方法计算支架承载力，并结合管道计算载荷对支架标准根部及管部进行评定。

表  2  部分DN200管道组合导向评定结果

Table  2.  Evaluation Results of Some DN200 Pipe Combined Guide Supports

根部件（图6中部件1）	图6中部件2	管道载荷 /承载能力
方管200×200×10①， L1=300②	深弓形管夹板	0.745
方管200×200×10， L1=200	深弓形管夹板	0.699
方管200×200×10， L1=300	方管（100×100×8）①门型框	0.691
方管200×200×10， L1=200	方管（100×100×8）门型框	0.422
注：①表示方管截面长×宽×壁厚；②表示根部方管长度

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图  6  管道组合导向支架示意图

Figure  6.  Schematic Diagrams of Pipe Combined Guide Support　　　　　　

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3.3   设计应用

改造中设计的新型摩擦管夹与标准根部，在实际使用中可与项目标准支吊架手册中的部件直接匹配，并可直接利用原预埋板进行安装。其中新型摩擦管夹的设计安装对螺栓预紧力进行了限制，以满足规范对螺栓锁紧的要求。改造项目中针对不同管径设计的标准部件均进行了完整的力学分析，确定了承载能力且满足规范要求。目前改造设计已经实施，对改造涉及的2类特殊形式的管道支吊架均进行了标准部件更换，经评定，支吊架强度均满足要求且原设计约束功能均得到了实现。

4.   结　论

针对秦山核电厂OLE项目“核2、3级管道支吊架改造”工程中遇到的2类特殊情况的管道支吊架，考虑现场改造施工条件，分别设计改造方案，同时根据ASME规范对2类改造设计制定力学验证方案，以验证改造方案的可行性，并实施改造。2种改造方案特点总结如下：

（1）对于刚性支撑杆约束方向与管道轴线不垂直的情况，设计新型摩擦管夹，利用管道与管夹间的摩擦力防止管夹沿管道轴向移动，避免在管道上焊接附属件对管道产生影响。根据不同管径管道设计不同型号的标准件，计算管夹与支撑杆在不同夹角下管夹的承载能力，方便直接选用。

（2）对于原设计中使用“导向支架底板”的支架，设计标准根部，配合深弓形管夹板或方管门型框对大尺寸管道实现导向约束功能，可根据管径、距离生根位置高度、支架载荷的不同而选用不同的部件组合，确保改造后支架功能和强度均满足要求。

本文中支吊架改造方案的研究和应用解决了OLE项目中的难题，使用标准件系列设计，为批量改造提供方便，现场适应性强、施工量小，为支吊架改造项目提供新思路，便于推广。