CN105889762A - 一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件 - Google Patents

Abstract

一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件。本发明涉及一种核电站主管道甩击限制件。本发明目的是为了解决目前核电站主蒸汽、主给水管道常用甩击限制件在限制管道甩动时甩击力过大或变形过大的问题。本发明的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件由多个铝基复合泡沫材料填充管、上连接钢板和下连接钢板组成；所述的铝基复合泡沫材料填充管由不锈钢管、填充满不锈钢管的铝基复合泡沫材料、覆盖不锈钢管两端的带有凹槽的圆形固定钢板组成。与U型和H型限制件相比，合理优化设计的铝基复合泡沫材料填充管具有合适的强度、刚度及良好的耗能能力，既能很好地约束限制住管道的甩击变形，又能较大幅度减小管道甩击力从而减小传递至土建结构的荷载。

Description

一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件

技术领域

本发明涉及一种核电站主管道甩击限制件。

背景技术

核电站中的主蒸汽、主给水管道长期在高温、高压条件下运行，在偶然工况下可能会发生突然破裂。管道一旦发生破裂，高温高压流体将从破口处高速喷射出来，喷射反作用力将驱动主管道产生甩击运动。若未针对性地对破裂管道进行限制，快速甩击的管道将会严重损害核电站常规岛或核岛的关键部件及其附近的构筑物和工作人员，甚至可能影响到核安全。因此，在主管道设计时应考虑可能发生的管道破裂工况，采用合适的甩击限制件有针对性地对可能发生破裂甩击的管道进行约束限制，以尽可能地保证不因管道突然破裂而导致更大的次生灾害。

随着材料科学的发展，近年来产生了一种平均粒径约为80μm的空心微珠/1199Al铝基复合泡沫材料，该材料在静态受压时屈服应力能达到40MPa，在高应变率冲击作用下屈服应力能达到100MPa。利用该泡沫铝材料与钢管复合制作成填充管形式的构件，经过合理优化设计后不仅具有很高的抗压/抗冲击承载力，且在达到最高承载力之后具有较长的屈服平台，能在发生较大塑性变形的同时保持本身较高的承载能力，从而具有很强的耗能/吸能能力。

目前核电站主管道的甩击限制件主要采用U型和H型两种形式。U型限制件通过钢棒的塑性拉伸变形来耗能，H型限制件通过开孔圆钢管的压缩变形来耗能。目前还没有利用铝基复合泡沫材料填充管来制作甩击限制件的先例。

发明内容

本发明目的是为了解决目前核电站主蒸汽、主给水管道常用甩击限制件在限制管道甩动时甩击力过大或变形过大的问题，而提供一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件。

本发明的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件由多个铝基复合泡沫材料填充管、上连接钢板和下连接钢板组成；

所述的铝基复合泡沫材料填充管由不锈钢管、填充满不锈钢管的铝基复合泡沫材料、覆盖不锈钢管两端的带有凹槽的圆形固定钢板组成；

所述的多个铝基复合泡沫材料填充管呈矩形阵列a×b的方式排列；其中1≤a≤3，且a为整数，1≤b≤3，且b为整数；

所述的不锈钢管的两端嵌入圆形固定钢板的凹槽内并通过焊接加以固定；

所述的铝基复合泡沫材料填充管上端的固定钢板与上连接钢板通过焊接相连，所述的铝基复合泡沫材料填充管下端的固定钢板与下连接钢板通过焊接相连。

本发明的有益效果：

本发明的铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件中所采用的填充满空心微珠/1199Al复合泡沫材料的空心钢管，合理设计后在准静态轴压时具有很高的承载能力和很长的屈服平台，在管道甩击这类高应变率冲击荷载作用下铝基复合泡沫材料的流动应力和塑性应变还能明显的增大，这使得合理优化后的泡沫铝填充管具有合适的强度、刚度和良好的缓冲吸能能力。将这种泡沫铝填充管用于限制核电站主蒸汽、主给水管道破裂后的甩动时，较高的承载能力和较长的屈服平台不但能够吸收大部分流体喷设力所做的功从而有效降低管道甩击力，合适的强度和刚度还能承受管道破裂甩击产生的巨大甩击力并限制管道甩击变形的大小，从而保证不因管道破裂、甩击导致其它更大的次生安全问题。

此外，泡沫铝填充管本身体积较小，在管道甩击时难以发生完整的压缩，在泡沫铝填充管端部合理布置连接钢板，能够增大与甩击管道碰撞时的接触面积，从而使甩击力均匀、有效地传递至泡沫铝填充管上，令泡沫铝填充管能够协同工作，从而有效地限制管道的甩击变形。

与U型和H型限制件相比，合理优化设计的铝基复合泡沫材料填充管具有合适的强度、刚度及良好的耗能能力等综合性能，不但能很好地约束限制住管道的甩击变形，还能较大幅度地减小管道甩击力从而减小传递至土建结构的荷载。此外，铝基复合泡沫材料填充管的质量更小、构造简单、容易加工且方便施工布置。

附图说明

图1为铝基复合泡沫材料填充管的结构示意图；其中2为不锈钢管、3为铝基复合泡沫材料、4为圆形固定钢板；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为本发明的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件的结构示意图；其中1为铝基复合泡沫材料填充管、2为不锈钢管、3为铝基复合泡沫材料、4为圆形固定钢板、5为上连接钢板、6为下连接钢板；

图4为采用两种不同限制件时管道甩击力的时程曲线图；其中1为试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，2为U型箍限制件；

图5为采用两种不同限制件时管道甩击速度为0、甩击变形达最大时管道轴线处的竖向变形图；其中1为试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，2为U型箍限制件；

图6为采用两种不同限制件时管道在甩击过程中的动能变化过程图；其中1为试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，2为U型箍限制件。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件由多个铝基复合泡沫材料填充管1、上连接钢板5和下连接钢板6组成；

所述的铝基复合泡沫材料填充管1由不锈钢管2、填充满不锈钢管2的铝基复合泡沫材料3、覆盖不锈钢管2两端的带有凹槽的圆形固定钢板4组成；

所述的多个铝基复合泡沫材料填充管1呈矩形阵列a×b的方式排列；其中1≤a≤3，且a为整数，1≤b≤3，且b为整数；

所述的不锈钢管2的两端嵌入圆形固定钢板4的凹槽内并通过焊接加以固定；

所述的铝基复合泡沫材料填充管1上端的固定钢板4与上连接钢板5通过焊接相连，所述的铝基复合泡沫材料填充管1下端的固定钢板4与下连接钢板6通过焊接相连。

本实施方式的铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件中所采用的填充满空心微珠/1199Al复合泡沫材料的空心钢管，合理设计后在准静态轴压时具有很高的承载能力和很长的屈服平台，在管道甩击这类高应变率冲击荷载作用下铝基复合泡沫材料的流动应力和塑性应变还能明显的增大，这使得合理优化后的泡沫铝填充管具有合适的强度、刚度和良好的缓冲吸能能力。将这种泡沫铝填充管用于限制核电站主蒸汽、主给水管道破裂后的甩动时，较高的承载能力和较长的屈服平台不但能够吸收大部分流体喷设力所做的功从而有效降低管道甩击力，合适的强度和刚度还能承受管道破裂甩击产生的巨大甩击力并限制管道甩击变形的大小，从而保证不因管道破裂、甩击导致其它更大的次生安全问题。

此外，泡沫铝填充管本身体积较小，在管道甩击时难以发生完整的压缩，在泡沫铝填充管端部合理布置连接钢板，能够增大与甩击管道碰撞时的接触面积，从而使甩击力均匀、有效地传递至泡沫铝填充管上，令泡沫铝填充管能够协同工作，从而有效地限制管道的甩击变形。

与U型和H型限制件相比，合理优化设计的铝基复合泡沫材料填充管具有合适的强度、刚度及良好的耗能能力等综合性能，能较大幅度地减小管道甩击力从而减小传递至土建结构的荷载，能很好地约束限制住管道甩击时的变形大小。此外，铝基复合泡沫材料填充管的质量更小、构造简单、容易加工且方便施工布置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的不锈钢管2为AISI304不锈钢管。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的铝基复合泡沫材料3的密度为1385kg/m³。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的铝基复合泡沫材料3为空心微珠/1199Al铝基复合泡沫材料。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的空心微珠为平均粒径为80μm的空心微珠。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的圆形固定钢板4的直径＞不锈钢管2的外径。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的上连接钢板5为Q345连接钢板。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的下连接钢板6为Q345连接钢板。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

用以下试验验证本发明的有益效果：

某工程主蒸气管道某处可能发生环向断裂，计算模型简化为悬臂梁模型，管道悬臂长度为15.338m，垂直于管道轴向的喷射力荷载大小为2.61MN。初步设计将限制件布置于距破口1.455m处管道的上方，限制件与管道的初始间隙为77.5mm。

试验一：(如图1～3)本试验的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件由多个铝基复合泡沫材料填充管1、上连接钢板5和下连接钢板6组成；

所述的铝基复合泡沫材料填充管1由不锈钢管2、填充满不锈钢管2的铝基复合泡沫材料3、覆盖不锈钢管2两端的带有凹槽的圆形固定钢板4组成；

所述的多个铝基复合泡沫材料填充管1呈矩形阵列1×2的方式排列；

所述的不锈钢管2的两端嵌入圆形固定钢板4的凹槽内并通过焊接加以固定；

所述的铝基复合泡沫材料填充管1上端的固定钢板4与上连接钢板5通过焊接相连，所述的铝基复合泡沫材料填充管1下端的固定钢板4与下连接钢板6通过焊接相连；

所述的不锈钢管2为AISI304不锈钢管；内径为165mm，壁厚为5mm，高度为263mm；

所述的铝基复合泡沫材料3的密度为1385kg/m³；

所述的铝基复合泡沫材料3为空心微珠/1199Al铝基复合泡沫材料；

所述的空心微珠为平均粒径为80μm的空心微珠；

所述的圆形固定钢板4的直径＞不锈钢管2的外径；固定钢板4直径为200mm，厚度为20mm，其中凹槽外径为175mm，凹槽深5mm；

所述的上连接钢板5为Q345连接钢板；其尺寸规格为613mm×350mm×91mm；

所述的下连接钢板6为Q345连接钢板；其尺寸规格为613mm×350mm×91mm。

(一)将试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件与同样满足甩击限制要求的6个直径为32mm的U型箍限制件的性能进行对比，详细的计算分析采用ABAQUS通用有限元计算平台进行。

结论：1、采用两种不同限制件时管道甩击力的时程曲线如图4所示；其中1为试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，2为U型箍限制件。由图4可知，当采用U型箍限制件时管道最大甩击力为4.29MN，采用试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件时，管道最大甩击力为3.75MN。与U型箍限制件相比，采用本发明的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件能有效地减小12.3％的管道最大甩击力，且其甩击力的波动幅度要比U型箍要小。

2、采用两种不同限制件时，在管道甩击速度为0、甩击变形达最大时管道轴线处的竖向变形如图5所示；其中1为试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，2为U型箍限制件。由图5可知，采用U型箍限制件时管道与限制件中心对应位置的竖向位移为354.07mm，采用试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件时竖向位移仅为163.26mm，相比前者减小了53.9％。这说明当管道停止甩动时本发明限制件的压缩量远远小于U型箍的伸长量，或说采用本发明限制件时管道的甩击变形远小于采用U型箍时管道的甩击变形。

3、采用两种不同限制件时管道在甩击过程中的动能变化过程如图6所示；其中1为试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，2为U型箍限制件。由图6可知，采用U型箍限制件时，甩击过程中在管道达到最大甩击速度后的任意时刻，管道的甩击速度均大于采用试验一的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件时管道的甩击速度。这充分说明，采用本发明能更好地吸收管道的甩击动能，能明显地减小碰撞过程中管道的速度和变形大小，能更好地起到限制管道甩击、减小管道变形破坏的作用。

综上，与现有的U型箍限制件相比，本发明铝基复合泡沫材料填充管限制件能够有效地减小最大甩击力、减小管道在碰撞过程中的运动速度和管道的甩击变形，是一种优良的核电站主管道甩击限制件。

Claims (8)

1.一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，其特征在于一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件由多个铝基复合泡沫材料填充管(1)、上连接钢板(5)和下连接钢板(6)组成；

所述的铝基复合泡沫材料填充管(1)由不锈钢管(2)、填充满不锈钢管(2)的铝基复合泡沫材料(3)、覆盖不锈钢管(2)两端的带有凹槽的圆形固定钢板(4)组成；

所述的多个铝基复合泡沫材料填充管(1)呈矩形阵列a×b的方式排列；其中1≤a≤3，且a为整数，1≤b≤3，且b为整数；

所述的不锈钢管(2)的两端嵌入圆形固定钢板(4)的凹槽内并通过焊接加以固定；

所述的铝基复合泡沫材料填充管(1)上端的固定钢板(4)与上连接钢板(5)通过焊接相连，所述的铝基复合泡沫材料填充管(1)下端的固定钢板(4)与下连接钢板(6)通过焊接相连。

2.根据权利要求1所述的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，其特征在于所述的不锈钢管(2)为AISI304不锈钢管。

3.根据权利要求1所述的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，其特征在于所述的铝基复合泡沫材料(3)的密度为1385kg/m³。

4.根据权利要求1所述的一种铝基复合泡沫填充管甩击限制件，其特征在于所述的铝基复合泡沫材料(3)为空心微珠/1199Al铝基复合泡沫材料。

5.根据权利要求3或4所述的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，其特征在于所述的空心微珠为平均粒径80μm的空心微珠。

6.根据权利要求3或4所述的一种铝基复合泡沫填充管甩击限制件，其特征在于所述的圆形固定钢板(4)的直径＞不锈钢管(2)的外径。

7.根据权利要求1所述的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，其特征在于所述的上连接钢板(5)为Q345连接钢板。

8.根据权利要求1所述的一种铝基复合泡沫材料填充管甩击限制件，其特征在于所述的下连接钢板(6)为Q345连接钢板。