CN104331539A - 一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法及系统，用于解决现有技术中核电站管道热分层效应疲劳评价的资源消耗大、技术难度大和评价结果不准确的技术问题，所述方法包括：基于所述管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

Description

一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法及系统

技术领域

本发明涉及核电站管道设计技术领域，尤其涉及一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法及系统。

背景技术

管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。管道的疲劳累积使用因子(为小于等于1的正数)是衡量管道使用寿命长短的重要参数，具体的，疲劳累积使用因子的值越小说明管道使用寿命越长，相对的，疲劳累积使用因子的值越接近1说明管道的使用寿命越短，可见，在进行管道设计之前，对管道的疲劳累积使用因子进行估计，是保证设计出的管道的使用可靠性的重要步骤。

管道疲劳累积使用因子的预测，在核电站的管道设计中尤为重要，核电站管道主要用于输送维持核电站正常运行的液体(高温可达几百摄氏度，低温可至几十摄氏度)，当低温液体和高温液体在一管道中交汇时，管道会出现热分层现象，而热分层现象会导致管道设备疲劳累积使用因子急剧增加(即产生热分层效应)，如CPR1000波动管在不考虑热分层效应情况下疲劳累积使用因子仅为0.2，当考虑热分层效应时陡增到0.8，逼近波动管的寿命极限，热分层现象会导致热疲劳,当热疲劳达到一定程度会导致管道断裂，严重影响设备完整性，大幅度降低核电站使用寿命。

针对热分层效应导致管道疲劳累积使用因子骤增的问题，美国核管理委员会(NRC)于1988年发布了88-08公告和88-11公告，描述了美国核电站发现的热分层导致的波动管非预期位移和弯曲，要求所有在役和在建核电站必须对稳压器波动管热分层进行分析论证，以确保波动管结构完整性，并指出确保波动管结构完整性的焦点在于针对热分层效应的波动管进行疲劳评价。考虑热分层效应的疲劳评价技术包括以下三个关键组成步骤：步骤1、如何确定热分层的发生及具体分布状态，即“捕捉”热分层现象，找出分层规律；步骤2、如何确定热分层载荷，即“量化”热分层效应，进行应力计算；步骤3、如何将热分层应力与其他应力叠加，即“评价”热分层后果，完成疲劳评价；其中，“热分层载荷”是由于液体温度分层后，导致包裹液体的管子产生温度分层，又由于同种材料管道随着温度不同热膨胀量也不同，在管子的轴向和管子横截面内产生不协调变形，而导致的内力载荷。

目前，通过上述三个步骤，基于试验测量、数值模拟、分层假设或在役监测等技术手段获得特定条件下的热分层分布状态，进而再通过数值模拟、分层假设应力解等获得热分层应力(即由热分层载荷导致的热分层附加应力)，最后通过将热分层附加应力与其他应力叠加的方式，将热分层效应考虑到疲劳分析中去，完成疲劳评价。

在现有技术中，考虑热分层效应的疲劳评价的现有技术主要有以下三种：

(1)现有技术方案一：三维分析问题不简化。首先，试验测试或运用计算流体力学(CFD)进行三维流场分析，获得热分层分布；然后，采用有限元分析方法(FEM)进行三维固体力学分析，获得热分层应力；最后，基于热分层应力进行三维疲劳评价。

(2)现有技术方案二：三维分析问题简化为一维和二维组合问题。首先，采用一维管道应力计算软件，获得热分层总体应力；然后，运用CFD进行三维流场分析，获得某横截面的热分层分布；接着，采用FEM进行二维固体力学分析，获得热分层局部应力；最后，采用一维管道疲劳评价后处理软件，结合热分层应力，进行疲劳评价。

(3)现有技术方案三：三维分析问题简化为一维问题。首先，运用保守假设的热分层分布规律，假设管道中的高温、低温液体按静态特性进行分布，如图1所示，为在一管道中存在高、低温液体交汇，且考虑液体静态特性时的管道热分层分布规律图，X轴表示与该管道相通的其它管道的轴向、Y轴表示该管道的轴向、两侧的斜线区域A和B表示该管道在实际情况下所受的牵引力作用、标有数字1和4的线条分别表示该管道的上下管壁、标有数字2的线条表示温度为T1的液体所在的区域、标有数字3的线条表示温度为T2的液体所在的区域，其中，T1和T2为实数且T1大于T2；可见，在管道液体静态状态下的管道热分层分布规律为：高温液体在管道上部且低温液体在管道的下部，高、低温液体区域与Y轴平行；然后，运用经典理论应力公式，获得热分层应力；最后，采用一维管道疲劳评价后处理软件，结合热分层应力，进行疲劳评价。

在实际应用中，以上三种方法均能完成疲劳评价，但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术方案一中，需要管道设计人员拟定许多假定条件获得较为详细的热分层分布温度场(如热分层液体导致的管子横截面内温度场分布)，然而，现有CFD技术在计算热分层问题上的偏差较大，造成热分层应力的偏差较大，从而导致疲劳评价结果偏差较大；整个评价过程的资源消耗大，管道质量控制难度大；在调整结构布置(如波动管的支管倾角)或流体参数(如主管与支管的流体温差，流体流速等)后，需要重新建模计算或搭建试验平台进行测量；涉及专业计算软件较多，工程师上手难度较高。在现有技术方案二中，存在与现有技术一相同的问题，即需要获得较为详细的热分层分布温度场，且整个评价过程的资源消耗较大、质量控制难度较大；另外，调整结构布置或流体参数后，需要重新建模计算或搭建试验平台进行测量；涉及软件最多，工程师上手难度最高。在现有技术方案三中，保守假设的热分层分布规律是基于管道液体静态情况进行假设获得的，不符合实际应用情况，导致计算所得热分层应力过大；最终导致疲劳评价过于保守，以致管道结构设计过于粗胖，同时也会带来管道自重增加、地震载荷增加等问题，降低了经济效应；不能有效合理地响应结构布置或流体参数的改变。

也就是说，现有技术中存在核电站管道热分层效应疲劳评价的资源消耗大、技术难度大和评价结果不准确的技术问题。

发明内容

本申请实施例通过提供一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法及系统，解决了现有技术中核电站管道热分层效应疲劳评价的资源消耗大、技术难度大和评价结果不准确的技术问题，实现了节省管道热分层效应疲劳评价的资源消耗、降低管道热分层效应疲劳评价的技术难度以及获得符合实际应用情况的较准确的疲劳评价结果的技术效果。

一方面，本申请实施例提供了一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法，所述方法包括步骤：

S1、基于核电站管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；

S2、基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；

S3、基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

可选的，所述步骤S1具体包括步骤：

S11、基于所述管道中液体的实际动态特性和计算流体力学热分层数值模拟技术，建立所述管道的热分层分布规律模型；

S12、基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

可选的，所述步骤S12具体包括步骤：

S121、基于所述热分层分布规律模型，判断所述管道是否存在热分层，获得第一判断结果；

S122、当所述第一判断结果为是时，基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

可选的，所述步骤S2具体为：

基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层总体应力的等效弯矩参数和热分层局部应力的等效弯矩参数。

可选的，所述步骤S3具体为：

基于所述热分层总体应力的等效弯矩参数和所述热分层局部应力的等效弯矩参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

可选的，所述步骤S3包括步骤：

S31、基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子；

S32、判断所述疲劳累积使用因子是否小于预设值，获得第二判断结果；

S32、在所述第二判断结果为是时，确定所述管道的设计合格，以及在所述第二判断结果为否时，确定所述管道的设计不合格。

另一方面，本申请实施例还提供了一种核电站管道热分层效应疲劳评价系统，在所述系统包括：

热分层分布规律参数获取单元，用于基于核电站管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；

热分层应力参数获取单元，用于基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；

疲劳评价单元，用于基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

可选的，所述热分层分布规律参数获取单元，包括：

热分层分布规律模型建立模块，用于基于所述管道中液体的实际动态特性和计算流体力学热分层数值模拟技术，建立所述管道的热分层分布规律模型；

分布规律参数获取模块，用于基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

可选的，所述分布规律参数获取模块，包括：

热分层判断子模块，用于基于所述热分层分布规律模型，判断所述管道是否存在热分层，获得第一判断结果；

参数获取子模块，用于当所述第一判断结果为是时，基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

可选的，所述热分层应力参数获取单元，具体用于基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层总体应力的等效弯矩参数和热分层局部应力的等效弯矩参数。

可选的，所述疲劳评价单元，具体用于基于所述热分层总体应力的等效弯矩参数和所述热分层局部应力的等效弯矩参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

可选的，所述疲劳评价单元，包括：

疲劳累积使用因子获取模块，用于基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子；

疲劳累积使用因子判断模块，用于判断所述疲劳累积使用因子是否小于预设值，获得第二判断结果；

评价模块，用于在所述第二判断结果为是时，确定所述管道的设计合格，以及在所述第二判断结果为否时，确定所述管道的设计不合格。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于在本申请实施例中，首先，基于管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；然后，基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；最后，基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。其中，热分层分布规律参数的获得是整个方案的关键所在，在本方案中，根据管道中液体的实际动态特性，获得的热分层分布规律参数(试验理论值)与实际情况偏差小，且相对保守(即设计出的管道不会出现安全问题)；并且即使调整管道的结构布置或流体参数等，通过本方案也能毫不费力地快速获得热分层的分层规律，极大地节约了时间成本；进一步，基于热分层分布规律参数计算获得的热分层应力更合理，最终获得的疲劳累积使用因子更加准确；解决了现有技术中核电站管道热分层效应疲劳评价的资源消耗大、技术难度大和评价结果不准确的技术问题，实现了节省管道热分层效应疲劳评价的资源消耗、降低管道热分层效应疲劳评价的技术难度以及获得符合实际应用情况的较准确的疲劳评价结果的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为背景技术提供的存在高、低温液体交汇的管道在考虑液体静态特性时管道热分层分布规律图；

图2为本申请实施例提供的第一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法流程图；

图3为本申请实施例提供的在役压水堆核电站波动管与主管道的连接示意图；

图4为本申请实施例提供的波动管的热分层示意图；

图5为本申请实施例提供的第二种核电站管道热分层效应疲劳评价方法流程图；

图6为本申请实施例提供的第三种核电站管道热分层效应疲劳评价方法流程图；

图7为本申请实施例提供的在考虑波动管中液体的实际动态特性时的波动管热分层分布规律图；

图8为本申请实施例提供的第四种核电站管道热分层效应疲劳评价方法流程图；

图9为本申请实施例提供的第一种核电站管道热分层效应疲劳评价系统结构框图；

图10为本申请实施例提供的第二种核电站管道热分层效应疲劳评价系统结构框图；

图11为本申请实施例提供的第三种核电站管道热分层效应疲劳评价系统结构框图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法，解决了现有技术中核电站管道热分层效应疲劳评价的资源消耗大、技术难度大和评价结果不准确的技术问题，实现了节省管道热分层效应疲劳评价的资源消耗、降低管道热分层效应疲劳评价的技术难度以及获得符合实际应用情况的较准确的疲劳评价结果的技术效果。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本申请实施例提供了一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法，所述方法包括步骤：基于核电站管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

可见，在本申请实施例中，根据管道中液体的实际动态特性，获得的热分层分布规律参数(试验理论值)与实际情况偏差小，且相对保守(即设计出的管道不会出现安全问题)；并且即使调整管道的结构布置或流体参数等，通过本方案也能毫不费力地快速获得热分层的分层规律，极大地节约了时间成本；进一步，基于热分层分布规律参数计算获得的热分层应力更合理，最终获得的疲劳累积使用因子更加准确；解决了现有技术中核电站管道热分层效应疲劳评价的资源消耗大、技术难度大和评价结果不准确的技术问题，实现了节省管道热分层效应疲劳评价的资源消耗、降低管道热分层效应疲劳评价的技术难度以及获得符合实际应用情况的较准确的疲劳评价结果的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

本申请实施例提供了一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法，请参考图2，所述方法包括步骤：

S1、基于核电站管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；

S2、基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；

S3、基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

以在役压水堆核电站的波动管和主管道为例，首先，请参考图3，为在役压水堆核电站波动管与主管道的连接示意图，在图3中，波动管10与主管道20相连接部分采取水平角度或一定角度(即锐角或直角)的管道布置方案，其中，主管道20中流动有温度较低的液体，波动管10用于连接一回路稳压器下封头和主管道20，波动管10中流动有温度较高的液体；在波动管10和主管道20中的液体持续小流量流动(即考虑液体实际动态特性)的条件下，两股液体由于存在密度差，波动管20中的温度较高的液体会在重力作用下，流向主管道20，使得两个管道的液体在波动管10的部分管端(支管)101中融汇，并存在热分层现象；当然，核电站机组的蒸汽发生器给水接管、给水环和主管道某些辅助接管也同样都存在类似的热分层现象；然后，请参考图4，为波动管10的热分层示意图，图4中横向箭头方向表明液体从波动管10流向主管道20的方向，在该方向上波动管10的温度由高逐渐降低，即存在温度分阶，进一步，根据此温度分阶现象产生的热分层效应，即为在考虑管道液体实际动态特性下获得的热分层分布规律。

在具体实施过程中，请参考图5，为了快速且准确地获得在考虑管道液体实际动态特性下的热分层分布规律的热分层分布规律参数，所述步骤S1包括步骤：

S11、基于所述管道中液体的实际动态特性和计算流体力学热分层数值模拟技术，建立所述管道的热分层分布规律模型；

S12、基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

由于本申请方案主要用于管道热分层效应的疲劳评价，在具体实施过程中，为了确定进行疲劳评价的管道中存在热分层效应，请参考图6，所述步骤S12具体包括步骤：

S121、基于所述热分层分布规律模型，判断所述管道是否存在热分层，获得第一判断结果；

S122、当所述第一判断结果为是时，基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。相对的，当所述第一判断结果为否时，采用常规的管道疲劳评价方法(如现有技术方案三的方法)进行疲劳评价。

具体的，结合图4拟定出在考虑波动管中液体的实际动态特性时的波动管热分层分布规律图(即考虑管道液体实际动态特性热分层分布规律模型图)，如图7所示，X轴表示主管道20的轴向、Y轴表示波动管10的支管101的轴向、两侧的斜线区域A和B表示支管101在实际情况下所受的牵引力作用、标有数字1和2的线条分别表示支管101的上下管壁、标有3的线条(称线条3)表示温度为T1的液体所在的区域、标有数字4的线条(称线条4)表示温度为T2的液体所在的区域，其中，T1和T2为实数且T1大于T2；在图7中，线条3(即高温线)与线条2(即下管壁或Y轴)存在夹角φ(锐角)，线条4(即低温线)与线条2(即下管壁或Y轴)存在夹角(锐角)，与现有技术方案三中所采用的管道液体静态热分层分布规律(即基于管道液体静态特性估计出高、低温液体分别分布在管道的上、下部且高、低温液体区域与Y轴平行的热分层分布规律)是不相同的；可见，在管道设计阶段，采用本申请方案热分层分布规律能够充分考虑到热分层现象会导致同一管道截面的不同高度产生的热膨胀量有所差别，更符合实际应用情况。

下面介绍在考虑管道液体实际动态特性时管道热分层分布规律参数的求解：

仍请参考图7，在本申请方案中用于获得管道热分层应力所需要的热分层分布规律参数包括：φ、、L₁和L₂；其中，φ为所述高温线条与Y轴的夹角，为所述低温线条与Y轴的夹角，L₁以主管道20为起点到主管道20中的低温液体渗透到支管101中心点的距离，L₂为所述高温线、所述低温线与Y轴的交点之间的距离(即热分层的分层厚度)，基于这些热分层分布规律参数得出的热分层应力更符合实际应用，进一步基于此热分层应力能够得出更准确的管道疲劳累积使用因子。

具体的，可通过应力公式(如计算流体力学中的相关公式)或有限元分析方法(FEM，Finite Elements Method)计算获得热分层分布规律参数；在本申请实施例中，主要介绍结合计算流体力学(CFD，Calculation Fluid Dynamics)热分层数值模拟结果，深入系统地对热分层规律进行参数化研究，建立热分层分布位置的半经验无量纲化参数解方程，如式(I)所示：

y＝a+be^cx    (I)

其中，“半经验”是指：设计人员通过经验和理论相结合，基于计算模拟数据；“无量纲化参数”是指：没有具体单位，但有物理含义的数据，如用于表示在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数雷诺数。在式(I)中，g_y重力加速度投影到波动管(支管)轴线上的分量，D_i波动管(支管)内径，V_R和V_B分别为主管道(主管)和波动管(支管)的流速，a＝a₁log₁₀(V_B/V_R)+a₂，b＝b₁log₁₀(V_B/V_R)+b₂，c＝c₁log₁₀(V_B/V_R)+c₂，a₁、a₂、b₁、b₂和c₁、c₂为半经验常数，依据具体情况而定，这里不做具体限定。

由于本申请方案主要用于在管道设计初期，对设计人员拟定的管道设计方案进行管道疲劳评价，在具体实施过程中，设计人员在拟定管道设计方案的过程中，会假设出管道的结构尺寸、布置方案(如布置倾角参数)、设计瞬态(如主管道液体流速、波动管液体速等)，然后在此基础上执行步骤S1～S3，也就是说，g_y、D_i、V_R、V_B和a、b、c都是已知的，因此可以求出L₁的值，如式(II)所示：

L₁＝D_i(a+be^cx)    (II)

又由实际应用经验可知当支管与水平面夹角(记为θ)小于10°时，基本处在(8-10)°之间；当θ大于10°时，随着θ的增加而线性增加；在所述热分层分布规律模型中φ与可视作相等；又在管道设计方案中θ也是已知量，也就是说，φ和也是已知量，那么可求出热分层的分层厚度L₂的值，且L₂随着θ的增加而指数下降。

在获得所述热分层分布规律参数之后便可计算所述热分层应力参数，为了提高计算速度以及能够基于求得的热分层应力参数获得准确的疲劳累积因子，可将热分层应力等效简化为总体应力和局部应力。具体的，在本申请实施例中，所述步骤S2具体为：基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层总体应力的等效弯矩参数和热分层局部应力的等效弯矩参数。

(1)通过热分层总体应力等效弯矩解析方程求解所述管道的热分层总体应力的等效弯矩参数M_TS2，如式(III)所示：

$M_{\mathrm{TS}2}=[-12(\frac{L_1}{L_0}-\frac{1}{2})\frac{y}{L_0}+6(\frac{L_1}{L_0}-\frac{1}{2})+1]M_{\mathrm{TS}2-\mathrm{mean}}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，L₁可通过式(II)求得，L₀是波动管(或被测支管)的总长度，y值通过式可求得，M_TS2-mean为热分层总体应力的平均等效弯矩，其表达式如式(IV)所示：

式(IV)中，E为管道材料弹性模量，α为管道材料热膨胀系数，D_o为管道外径，D_i为管道内径，均为已知量。

(2)结合H.D.Kweon等提出的较为精确的热分层局部应力参数化解方程，解得热分层局部应力的等效弯矩参数M_TS1，如式(V)所示：

$M_{\mathrm{TS}1}=\frac{{\mathrm{\σ}}_l*\frac{\mathrm{\π}}{64}({D_o}^4-D_i^4)}{D_o/2}---\left(V\right)$

其中，热分层局部应力σ_l如式(VI)所示：

${\mathrm{\σ}}_l=\mathrm{E\α}(T_2-T_1)(0.1175\frac{D_i}{D_{\mathrm{ref}}}-2.4606\frac{t}{D_{\mathrm{ref}}}+1.5003)(0.0871+0.7455e^{-3.6474\frac{L_2\tan \mathrm{\φ}}{D_i}})---\left(\mathrm{VI}\right)$

其中，公式(VI)来自参考文献(H.D.Kweon,J.S.Kim,K.Y.Lee.Fatiguedesign of nuclear class 1 piping considering thermal stratification,2008,238:1265-1274.)，参考直径D_ref＝0.254m，t为管道壁厚，E、α、D_o、D_i、φ均为已知量，基于式(VI)可求得热分层局部应力σ_l，进一步，将σ_l代入式(V)中可求得热分层局部应力的等效弯矩参数M_TS1。

另外，通过有限元分析方法(FEM，Finite Elements Method)计算获得热分层应力参数，请参考有限元分析方法相关文献，这里不再一一赘述。

进一步，在求解获得管道的热分层总体应力的等效弯矩参数和热分层局部应力的等效弯矩参数之后，所述步骤S3具体为：基于所述热分层总体应力的等效弯矩参数和所述热分层局部应力的等效弯矩参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

具体的，通过将热分层应力等效成弯矩M_TS1和M_TS2加载到RCC-M B3600等式(11)中的M_i中进行疲劳评价，获得热分层应力幅值S_p，如式(VII)所示：

$\begin{array}{c}{S}_p(i,j)=K_1{C}_1\frac{\left|P_o(i,j)\right|D_o}{2t}+K_2{C}_2\frac{D_o}{2I}{M}_i(i,j)+\frac{1}{2(1-v)}{K}_3\mathrm{E\α}\left|\mathrm{\Δ}{T}_1(i,j)\right|\\ +K_3{C}_3{E}_{\mathrm{ab}}|{\mathrm{\α}}_a{T}_a(i,j)-{\mathrm{\α}}_b{T}_b(i,j)|+\frac{1}{1-v}\mathrm{E\α}\left|\mathrm{\Δ}{T}_2(i.j)\right|\end{array}---\left(\mathrm{VII}\right)$

其中，RCC-M B3600等式(11)即式(VII)是规范RCC-M B3600中的标准公式；C₁、K₁、C₂、K₂、C₃、K₃为应力指数；P_o为设计压力；D_o为管道外径；t为管子厚度；I为惯性矩；i和j为两种工况状态变量；M_i为合力矩(即由重力、地震载荷和其它机械设计载荷产生，组合热分层等效弯矩M_TS1和M_TS2之后的合力矩)；v为泊松比；E为管道材料弹性模量，α为管道材料热膨胀系数；T为管壁温度；ΔT为温度差；各参数的具体详细介绍和计算原理请参考规范RCC-M B3600。当管道材料相同时，疲劳累积使用因子随着S_p的增加而指数上升，并且在求得S_p之后可通过查阅相关表格获得疲劳累积使用因子的值，如当S_p为100时对应疲劳累积使用因子为0.1，当S_p为200时对应疲劳累积使用因子为0.3等。

在具体实施过程中，本申请技术方案，除了适用于管道设计初期的管道疲劳评价，也使用于在管道施工之后的疲劳评价，针对管道施工之后的疲劳评价，可根据施工后的具体应用工况情况，对式(VII)中M_i进行调整，如在设计初期M_i的表示工况的变量i和j只有10对(即表示10种工况)，而在实际应用中，工况不仅仅只有设计中预期的10种情况，还包括其它两种工况，那么在管道施工之后进行疲劳评价时需要将此两种工况也考虑进去。

在具体实施过程中，为了在获得M_TS1和M_TS2之后快速的计算获得疲劳累积使用因子，可结合具体应用环境的工况载荷(如核电站实际应用环境中，管道还需承担地震载荷、其它机械设计载荷等)，将RCC-M B3600等式(11)编写成疲劳累积使用因子计算软件，每次只需向该软件中导入M_TS1和M_TS2，该软件便可自动计算获得疲劳累积使用因子；当然，管道设计人员也可通过手动计算获得疲劳累积使用因子。另外，目前，在市场上存在用于计算疲劳累积使用因子的专用软件(如ROCOCO)和通用软件(ANSYS、SYSTUS)，其中，所述专用软件是针对管道特定的应用环境(如核电站)设计的，M_i(i,j)合力矩的设计更具有针对性；而所述通用软件面向通用管道设计；在具体实施过程中，也可根据实际应用需求将获得的M_TS1和M_TS2导入现有的专用软件或通用软件中进行疲劳累积使用因子的计算，进而进行管道疲劳评价。

具体的，所述步骤S3主要用于基于热分层应力参数对管道设计进行疲劳评价，请参考图8，步骤S3具体包括步骤：

S31、基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子；

S32、判断所述疲劳累积使用因子是否小于预设值，获得第二判断结果；

S32、在所述第二判断结果为是时，确定所述管道的设计合格，以及在所述第二判断结果为否时，确定所述管道的设计不合格。

具体的，在本申请实施例中，所述预设值取值为疲劳累积使用因子的临界值1，即在获得疲劳累积使用因子之后，判断其是否小于1；若小于1则确定设计出的管道合格；若不小于1则确定设计出的管道不合格，并且需要调整管道的结构尺寸、布置方案、设计瞬态。当然，为了保留更大的设计裕量，在具体实施过程中，可设定所述预设值为小于1的某个值，如0.8、0.9等。

综上所述，本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)在本申请方案中，根据管道中液体的实际动态特性，建立热分层分布规律模型，得到热分层分布位置的半经验无量纲化参数解(即热分层分布规律参数试验理论值)与实际情况偏差小，且相对保守(即设计出的管道具有安全保障)；并且即使调整管道的结构布置或流体参数等，通过本方案也能毫不费力地快速获得热分层的分层规律，极大地节约了时间成本，避免了重新建模计算或搭建试验平台进行测试；进一步，基于热分层分布规律参数计算获得的热分层应力更合理，最终获得的疲劳累积使用因子更加准确；解决了现有技术中管道热分层效应疲劳评价的资源消耗大、技术难度大和评价结果不准确的技术问题，实现了节省管道热分层效应疲劳评价的资源消耗、降低管道热分层效应疲劳评价的技术难度以及获得符合实际应用情况的较准确的疲劳评价结果的技术效果。

(2)在本申请方案中，建立具有合理根据的热分层分布规律模型，推导出热分层总体应力的解析解(即热分层总体应力的等效弯矩参数)，以及结合H.D.Kweon等提出的较为精确的热分层局部应力参数化解(即热分层局部应力的等效弯矩参数)，可以快速有效地进行热分层应力计算，不再需要获得详细的热分层分布温度场，进一步避免或缓解了保守假设的热分层分布规律不尽合理(即计算获得热分层应力远远大于实际应力)，导致计算所得热分层应力过大的问题，可以有效合理地响应结构布置或流体参数的改变，使得热分层应力计算更为契合实际情况。

(3)本申请技术方案中，通过将热分层应力等效成弯矩参数加载到RCC-M B3600等式(11)中，并通过嫁接用于进行疲劳评价的计算软件(如一种专用的疲劳后处理软件ROCOCO，能够实现快速疲劳评价的技术效果。

(4)本申请技术方案领先于国内外现有技术，独创性地建立了“热分层分布位置的参数化公式(即式(I))”、“热分层分层状态的优化假设(即建立考虑管道液体实际动态特性的管道热分层分布规律模型)”和“热分层应力的理论公式(即式(III)、(IV)、(V)、(VI)和(VII))”，省去了耗时费力的热分层试验或数值模拟，将“分层规律”和“应力计算”两部分的分析时间(40个工作日)降至10％。在保证评价结果不失保守性的前提下，运用研发的新方法，将计算时间控制在35个工作日以内，仅比常规疲劳评价时间(不考虑热分层，30个工作日)多5个工作日。

(5)本申请技术方案，适用于管道设计初期的管道疲劳评价和管道施工之后的疲劳评价，具有很好的实用性。

实施例二

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种核电站管道热分层效应疲劳评价系统，请参考图9，在所述系统包括：

热分层分布规律参数获取单元901，用于基于核电站管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；

热分层应力参数获取单元902，用于基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；

疲劳评价单元903，用于基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

在具体实施过程中，请参考图10，所述热分层分布规律参数获取单元901，包括：

热分层分布规律模型建立模块9011，用于基于所述管道中液体的实际动态特性和计算流体力学热分层数值模拟技术，建立所述管道的热分层分布规律模型；

分布规律参数获取模块9012，用于基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

进一步，仍请参考图10，所述分布规律参数获取模块9012，包括：

热分层判断子模块9012-1，用于基于所述热分层分布规律模型，判断所述管道是否存在热分层，获得第一判断结果；

参数获取子模块9012-2，用于当所述第一判断结果为是时，基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

在具体实施过程中，热分层应力参数获取单元902，具体用于基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层总体应力的等效弯矩参数和热分层局部应力的等效弯矩参数。

进一步，疲劳评价单元903，具体用于基于所述热分层总体应力的等效弯矩参数和所述热分层局部应力的等效弯矩参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

在具体实施过程中，请参考图11，所述疲劳评价单元903，包括：

疲劳累积使用因子获取模块9031，用于基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子；

疲劳累积使用因子判断模块9032，用于判断所述疲劳累积使用因子是否小于预设值，获得第二判断结果；

评价模块9033，用于在所述第二判断结果为是时，确定所述管道的设计合格，以及在所述第二判断结果为否时，确定所述管道的设计不合格。

根据上面的描述，上述疲劳评价系统用于实现上述疲劳评价方法，所以，该系统的工作过程与上述方法的一个或多个实施例一致，在此就不再一一赘述了。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种核电站管道热分层效应疲劳评价方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、基于核电站管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；

S2、基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；

S3、基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

2.如权利要求1所述的疲劳评价方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括步骤：

S11、基于所述管道中液体的实际动态特性和计算流体力学热分层数值模拟技术，建立所述管道的热分层分布规律模型；

S12、基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

3.如权利要求2所述的疲劳评价方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括步骤：

S121、基于所述热分层分布规律模型，判断所述管道是否存在热分层，获得第一判断结果；

S122、当所述第一判断结果为是时，基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

4.如权利要求1所述的疲劳评价方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层总体应力的等效弯矩参数和热分层局部应力的等效弯矩参数。

5.如权利要求4所述的疲劳评价方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

基于所述热分层总体应力的等效弯矩参数和所述热分层局部应力的等效弯矩参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

6.如权利要求1～5任一权项所述的疲劳评价方法，其特征在于，所述步骤S3包括步骤：

S31、基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子；

S32、判断所述疲劳累积使用因子是否小于预设值，获得第二判断结果；

S32、在所述第二判断结果为是时，确定所述管道的设计合格，以及在所述第二判断结果为否时，确定所述管道的设计不合格。

7.一种核电站管道热分层效应疲劳评价系统，其特征在于，在所述系统包括：

热分层分布规律参数获取单元，用于基于核电站管道中液体的实际动态特性，分析获得所述管道的热分层分布规律参数；

热分层应力参数获取单元，用于基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层应力参数；

疲劳评价单元，用于基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

8.如权利要求7所述的疲劳评价系统，其特征在于，所述热分层分布规律参数获取单元，包括：

热分层分布规律模型建立模块，用于基于所述管道中液体的实际动态特性和计算流体力学热分层数值模拟技术，建立所述管道的热分层分布规律模型；

分布规律参数获取模块，用于基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

9.如权利要求8所述的疲劳评价系统，其特征在于，所述分布规律参数获取模块，包括：

热分层判断子模块，用于基于所述热分层分布规律模型，判断所述管道是否存在热分层，获得第一判断结果；

参数获取子模块，用于当所述第一判断结果为是时，基于所述热分层分布规律模型，获得所述热分层分布规律参数。

10.如权利要求7所述的疲劳评价系统，其特征在于，所述热分层应力参数获取单元，具体用于基于所述热分层分布规律参数，获得所述管道的热分层总体应力的等效弯矩参数和热分层局部应力的等效弯矩参数。

11.如权利要求10所述的疲劳评价系统，其特征在于，所述疲劳评价单元，具体用于基于所述热分层总体应力的等效弯矩参数和所述热分层局部应力的等效弯矩参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子，并基于所述疲劳累积使用因子评价所述管道的设计是否合格。

12.如权利要求7～11任一权项所述的疲劳评价系统，其特征在于，所述疲劳评价单元，包括：

疲劳累积使用因子获取模块，用于基于所述热分层应力参数对所述管道进行热分层效应疲劳评价，获得所述管道的疲劳累积使用因子；

疲劳累积使用因子判断模块，用于判断所述疲劳累积使用因子是否小于预设值，获得第二判断结果；

评价模块，用于在所述第二判断结果为是时，确定所述管道的设计合格，以及在所述第二判断结果为否时，确定所述管道的设计不合格。