背景简介

核电厂冷却水系统大多使用钢管或混凝土管道。海水含盐量高且有大量微生物，往往造成冷却水管道不同程度的腐蚀或结垢。高密度聚乙烯（HDPE）管具有耐腐蚀、柔韧性好、不易结垢等特点，美国、欧洲、中国等国家或地区部分核电站开始使用HDPE管道输送海水冷却水。

核电管道设计需要考虑多种载荷的作用，特别是作为核安全级别的HDPE管道需要考虑地震载荷的影响。HDPE为黏弹性材料，其模量、强度等力学参数具有时间、温度相关性，HDPE管道在重力、内压等长时载荷或地震等短时载荷作用，以及不同的冷热水温度载荷作用下，表现出复杂的力学行为。目前核电厂管廊HDPE管道尚无成熟的设计标准，研究HDPE管道抗震力学性能分析方法对核安全级别HDPE管道设计具有重要意义。

成果介绍

根据国内某核电厂管廊金属管道改造为HDPE管道的技术需求，按照真实管道尺寸进行整体建模分析计算。分析了管道系统在重力、压力、热膨胀/收缩、地震等载荷作用下的应力分布情况，选取应力水平最危险点。根据整体模型计算结果选取如图1所示的HDPE管道关键段。

图1根据地震载荷影响选取的关键段在HDPE管道系统中的位置和结构

对关键段进行局部建模分析。HDPE材料的模量远低于金属，并且具有时间相关性，HDPE管道的固有频率较低，关键段1在不同模量下的固有频率如图2所示。模拟该关键段在单一载荷和组合载荷作用下的力学响应，分析了温度、重力、内压等各类载荷对HDPE管道的影响，结果如图3所示，

图2关键段1的前5阶模态

图3不同温度下热膨胀/收缩载荷及其组合载荷产生的应力峰值

在设计工况下，内压对管段应力状态的影响最大，温度的影响较小且与结构支撑设计有关，重力的影响最小。在事故工况下，地震荷载引起的应力最大，不同载荷下的应力峰值及相应工况下的许用应力值如图4所示。

图4关键段1在不同载荷下的应力峰值对比

该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

引文格式：

GB/T 7714

Shi J, Hu A, Yu F, et al. Finite element analysis of high-density polyethylene pipe in pipe gallery of nuclear power plants[J]. Nuclear Engineering and Technology, 2020.

MLA

Shi, Jianfeng, et al. "Finite element analysis of high-density polyethylene pipe in pipe gallery of nuclear power plants." Nuclear Engineering and Technology (2020).

APA

Shi, J., Hu, A., Yu, F., Cui, Y., Yang, R., & Zheng, J. (2020). Finite element analysis of high-density polyethylene pipe in pipe gallery of nuclear power plants. Nuclear Engineering and Technology.

（图文供稿：浙江大学施建峰；

网络编辑：侯志伟，费嘉文，温建锋）