CN106018138A - 基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统及其鉴定方法 - Google Patents

基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统及其鉴定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统及其鉴定方法；基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，包括顺次连接的储气罐（1）、气动阀（2）、手动阀（3）、爆破片及夹持器（4）、射流管道（5）连通，还包括保温结构模拟体（6），射流管道（5）的轴线与保温结构模拟体（6）的中垂线重合，中垂线是指经过保温结构模拟体（6）经线的一根直线且该中垂线经过保温结构模拟体（6）长度线段的中点。

Description

基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统及其鉴定方法
技术领域
本发明涉及属于核级保温材料性能鉴定领域，具体来说属于核岛保温层受LOCA喷放流体冲击后产生的小碎片份额鉴定方法研究领域。
背景技术
核电站安全壳内保温层受LOCA喷放高能流体冲击后将产生尺寸、结构和数量不同的碎片。随着破口喷放流体和安全壳喷淋液滴夹带，保温材料小碎片将迁移到地坑，并引起滤网堵塞。大破口事故后期，若地坑滤网被小碎片严重堵塞，再循环泵吸入压头将大幅下降，再循环系统冷却能力不足。微小保温材料纤维透过地坑滤网进入堆芯，在高温环境下与冷却剂溶液发生化学反应，并将长期在燃料组件内沉积，严重影响堆芯余热排出系统的载热能力，给事故缓解带来极大挑战。因此，高能流体冲击时保温结构产生的可能引起滤网堵塞的小碎片份额是衡量安全壳内保温结构(或保温层)性能的重要指标。不同类型保温结构用于核电站安全壳内管道和设备保温时，需采用实验手段对碎片特性进行鉴定。
双壁盒式保温结构指双壁金属盒、内填玻璃纤维的保温层，具有拆装、维修方便，使用寿命长，成本低及拆装无粉尘等优点，在国内核电站安全壳内广泛使用。该类型保温结构由双壁盒式保温模块围合管道形成，模块之间通过搭扣连接，模块内壁与管道间隙约25~35 mm。常见的保温模块主要由外壁(厚1 mm)、侧壁(厚0.6 mm)、内壁(厚0.1 mm)和搭扣、搭钩等附件组成，材料均为0Cr18Ni9Ti，内填保温材料多为玻璃纤维。双壁盒式保温结构释放纤维碎片的前提是模块金属壁或焊缝被破坏，但公开文献中尚无该类保温结构受LOCA流体冲击时碎片特性的相关报道。目前，我国还未制定核岛保温结构碎片特性鉴定的相关方法和规范，急需设计总结出合理可行的鉴定方法，对我国核电站安全壳内常用的双壁盒式保温结构碎片特性进行实验鉴定。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统及其鉴定方法。利用射流实验模拟LOCA压力场，破坏保温结构；结合碎片统计分析和压力场数值模拟获得小碎片份额曲线，以此评价保温结构碎片特性。本发明亦可开展其他类型保温结构及电缆、涂层等碎片特性鉴定，为我国核电站安全壳内保温结构碎片特性鉴定提供基本方法。
本发明通过下述技术方案实现：基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，其特征在于，包括顺次连接的储气罐、气动阀、手动阀、爆破片及夹持器、射流管道连通，还包括保温结构模拟体，射流管道的轴线与保温结构模拟体的中垂线重合，中垂线是指经过保温结构模拟体经线的一根直线且该中垂线经过保温结构模拟体长度线段的中点。
本发明的目标是这样实现的：基于空气射流实验破坏保温结构模拟体；保温结构模拟体关键尺寸及材料与原型一致；以楼面格栅板孔径为标准基于求差法获得小碎片份额；通过绘制小碎片份额曲线评价保温结构碎片特性。
所述的保温结构模拟体破坏方法为空气射流实验，储气罐、气动阀、手动阀、爆破片及夹持器、射流管道构成射流实验装置，利用爆破片瞬间释放高压空气，模拟LOCA事故喷放过程。利用出口自由喷放的射流管道，模拟LOCA事故喷放压力场。
保温结构模拟体的双壁盒式保温模块在接受射流管道的高压气流冲击后碎裂，产生碎片，碎片收集与统计方法为：以楼面格栅板孔径区分大小碎片，通过回收金属碎片和被格栅板拦截的纤维大碎片（保温棉大碎片），基于求差法获得可能引起滤网堵塞的纤维小碎片（保温棉小碎片）份额，通过调节保温结构模拟体与射流管道出口的距离获得保温模块外表面不同的滞止压力，压力数值通过CFD软件计算获得。绘制小碎片份额随压力的变化曲线，以此评价保温结构碎片特性；通过高速摄影视频回放获得保温结构破坏机理。
优选的，所述保温结构模拟体包括安装管道、以及包围在安装管道外围的双壁盒式保温模块，还包括设置在双壁盒式保温模块两端的挡风板，挡风板固定在安装管道外壁面上，双壁盒式保温模块与安装管道的外壁面之间存在间隙。
优选的，双壁盒式保温模块的数量为4个，4个双壁盒式保温模块均匀排布在安装管道的圆周面上，相邻双壁盒式保温模块之间采用搭扣连接。
优选的，双壁盒式保温模块与安装管道的外壁面之间的间隙为35 mm。
优选的，所述储气罐压力8.3 MPa，储气罐容积20 m3，射流管道出口内径d =76mm；保温结构模拟体与射流管道之间的移动范围为3d ~60d。采用所述储气罐压力8.3 MPa，储气罐容积20 m3，射流管道出口内径d =76 mm，可以确保射流实验开始0.15~0.2 s内，射流管道总压维持在7.65 MPa以上，以达到模拟LOCA压力场，而采用上述参数，可以在低成本和高安全性条件下获得逼真的LOCA压力场。
通过改变保温模拟体与射流管道出口的距离获得不同射流管道轴向位置处小碎片份额，结合数值模拟获得保温结构模拟体外表面滞止压力，绘制小碎片份额随压力的变化曲线，通过对比不同类型保温结构小碎片份额曲线评价碎片特性。结合实际电厂破口参数和小碎片份额分布曲线，可获得下游效应分析中的重要输入—影响区域(ZOI)。
基于所述基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统的鉴定方法，包括以下步骤：
A、建造保温结构碎片特性鉴定系统：建造所述的基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统；该步骤称为射流实验准备。按要求建造射流实验装置和制造保温结构模拟体。将保温模块称重后固定于安装管道，调整模块外壁与射流管道出口间距到设定位置，确保射流管道出口与模拟体垂直，对中。清扫现场，准备射流实验。
B、射流实验：启动爆破片使得储气罐内的气体依次经过气动阀、手动阀、爆破片及夹持器后从射流管道喷射到保温结构模拟体表面；投入数据采集系统和控制系统，启动射流实验，记录射流实验中射流管道压力、气罐压力等参数变化。还可以采用摄像机记录保温结构模拟体变化情况。
C、收集碎片：将碎片分为金属碎片和纤维碎片，纤维碎片分为纤维小碎片和纤维大碎片，拦截获得纤维大碎片，基于求差法获得纤维小碎片质量和纤维小碎片份额，纤维小碎片质量等于保温结构模拟体中的双壁盒式保温模块的初始质量减去金属碎片质量再减去纤维大碎片质量；
D、碎片特性评价分析：每次射流实验后将新的保温结构模拟体远离射流管道，直至保温结构模拟体不被明显破坏，基于数值计算获得每次射流实验射流管道轴线上保温模拟体外表面位置处滞止压力，绘制纤维碎片小碎片份额随压力的变化曲线，比较分析双壁盒式保温结构碎片特性。
上述步骤可以总的来分为四步骤，第一步，射流实验准备；第二步，基于射流实验破坏保温结构；第三步，碎片收集与分类统计；第四步，碎片特性评价分析。
所述纤维碎片分为纤维小碎片和纤维大碎片的方法是：选用孔径为40 mm×100mm的楼面格栅板拦截获得的纤维碎片为纤维大碎片。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的鉴定方法原理简单、运行安全、成本低廉，亦可用于其他类型保温结构碎片特性鉴定。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统的结构示意图。
图2为保温结构模拟体的剖视图结构图。
图3为沿图2中虚线的刨面结构图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、储气罐；2、气动阀；3、手动阀；4、爆破片及夹持器；5、射流管道；6、保温结构模拟体；61、安装管道；62、双壁盒式保温模块；63、挡风板；64、螺栓；65、搭扣。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，包括顺次连接的储气罐1、气动阀2、手动阀3、爆破片及夹持器4、射流管道5连通，还包括保温结构模拟体6，射流管道5的轴线与保温结构模拟体6的中垂线重合，中垂线是指经过保温结构模拟体6经线的一根直线且该中垂线经过保温结构模拟体6长度线段的中点。
本发明的目标是这样实现的：基于空气射流实验破坏保温结构模拟体；保温结构模拟体关键尺寸及材料与原型一致；以楼面格栅板孔径为标准基于求差法获得小碎片份额；通过绘制小碎片份额曲线评价保温结构碎片特性。
所述的保温结构模拟体破坏方法为空气射流实验，储气罐1、气动阀2、手动阀3、爆破片及夹持器4、射流管道5构成射流实验装置，利用爆破片瞬间释放高压空气，模拟LOCA事故喷放过程。利用出口自由喷放的射流管道，模拟LOCA事故喷放压力场。
保温结构模拟体6的双壁盒式保温模块在接受射流管道的高压气流冲击后碎裂，产生碎片，碎片收集与统计方法为：以楼面格栅板孔径区分大小碎片，通过回收金属碎片和被格栅板拦截的纤维大碎片保温棉大碎片，基于求差法获得可能引起滤网堵塞的纤维小碎片保温棉小碎片份额，通过调节保温结构模拟体与射流管道出口的距离获得保温模块外表面不同的滞止压力，压力数值通过CFD软件计算获得。绘制小碎片份额随压力的变化曲线，以此评价保温结构碎片特性；通过高速摄影视频回放获得保温结构破坏机理。
优选的，所述保温结构模拟体6包括安装管道61、以及包围在安装管道61外围的双壁盒式保温模块62，还包括设置在双壁盒式保温模块两端的挡风板63，挡风板63固定在安装管道61外壁面上，双壁盒式保温模块62与安装管道61的外壁面之间存在间隙。
优选的，双壁盒式保温模块62的数量为4个，4个双壁盒式保温模块62均匀排布在安装管道61的圆周面上，相邻双壁盒式保温模块62之间采用搭扣65连接。
优选的，双壁盒式保温模块62与安装管道61的外壁面之间的间隙为35 mm。
优选的，所述储气罐压力8.3 MPa，储气罐容积20 m3，射流管道出口内径d =76mm；保温结构模拟体与射流管道之间的移动范围为3d ~60d。采用所述储气罐压力8.3 MPa，储气罐容积20 m3，射流管道出口内径d =76 mm，可以确保射流实验开始0.15~0.2 s内，射流管道总压维持在7.65 MPa以上，以达到模拟LOCA压力场，而采用上述参数，可以在低成本和高安全性条件下获得逼真的LOCA压力场。
通过改变保温模拟体与射流管道出口的距离获得不同射流管道轴向位置处小碎片份额，结合数值模拟获得保温结构模拟体外表面滞止压力，绘制小碎片份额随压力的变化曲线，通过对比不同类型保温结构小碎片份额曲线评价碎片特性。结合实际电厂破口参数和小碎片份额分布曲线，可获得下游效应分析中的重要输入—影响区域(ZOI)。
实施例2
基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统的鉴定方法，上述基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统包括顺次连接的储气罐1、气动阀2、手动阀3、爆破片及夹持器4、射流管道5连通，还包括保温结构模拟体6，射流管道5的轴线与保温结构模拟体6的中垂线重合，中垂线是指经过保温结构模拟体6经线的一根直线且该中垂线经过保温结构模拟体6长度线段的中点。
包括以下步骤：
A、建造保温结构碎片特性鉴定系统：建造基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统；该步骤称为射流实验准备。按要求建造射流实验装置和制造保温结构模拟体。将保温模块称重后固定于安装管道，调整模块外壁与射流管道出口间距到设定位置，确保射流管道出口与模拟体垂直，对中。清扫现场，准备射流实验。
B、射流实验：启动爆破片使得储气罐1内的气体依次经过气动阀2、手动阀3、爆破片及夹持器4后从射流管道5喷射到保温结构模拟体6表面；投入数据采集系统和控制系统，启动射流实验，记录射流实验中射流管道压力、气罐压力等参数变化。还可以采用摄像机记录保温结构模拟体变化情况。
C、收集碎片：将碎片分为金属碎片和纤维碎片，纤维碎片分为纤维小碎片和纤维大碎片，拦截获得纤维大碎片，基于求差法获得纤维小碎片质量和纤维小碎片份额，纤维小碎片质量等于保温结构模拟体中的双壁盒式保温模块的初始质量减去金属碎片质量再减去纤维大碎片质量；
D、碎片特性评价分析：每次射流实验后将新的保温结构模拟体远离射流管道，直至保温结构模拟体不被明显破坏，基于数值计算获得每次射流实验射流管道轴线上保温模拟体外表面位置处滞止压力，绘制纤维碎片小碎片份额随压力的变化曲线，比较分析双壁盒式保温结构碎片特性。
上述步骤可以总的来分为四步骤，第一步，射流实验准备；第二步，基于射流实验破坏保温结构；第三步，碎片收集与分类统计；第四步，碎片特性评价分析。
所述纤维碎片分为纤维小碎片和纤维大碎片的方法是：选用孔径为40 mm×100mm的楼面格栅板拦截获得的纤维碎片为纤维大碎片。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，其特征在于，包括顺次连接的储气罐（1）、气动阀（2）、手动阀（3）、爆破片及夹持器（4）、射流管道（5）连通，还包括保温结构模拟体（6），射流管道（5）的轴线与保温结构模拟体（6）的中垂线重合，中垂线是指经过保温结构模拟体（6）经线的一根直线且该中垂线经过保温结构模拟体（6）长度线段的中点。
2.根据权利要求1所述的基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，其特征在于，所述保温结构模拟体（6）包括安装管道（61）、以及包围在安装管道（61）外围的双壁盒式保温模块（62），还包括设置在双壁盒式保温模块两端的挡风板（63），挡风板（63）固定在安装管道（61）外壁面上，双壁盒式保温模块（62）与安装管道（61）的外壁面之间存在间隙。
3.根据权利要求2所述的基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，其特征在于，双壁盒式保温模块（62）的数量为4个，4个双壁盒式保温模块（62）均匀排布在安装管道（61）的圆周面上，相邻双壁盒式保温模块（62）之间采用搭扣（65）连接。
4.根据权利要求2所述的基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，其特征在于，双壁盒式保温模块（62）与安装管道（61）的外壁面之间的间隙为35 mm。
5.根据权利要求1所述的基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统，其特征在于，所述储气罐压力8.3 MPa，储气罐容积20 m3，射流管道出口内径d =76 mm；保温结构模拟体与射流管道之间的移动范围为3d ~60d。
6.基于权利要求1-5中任意一项所述的基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统的鉴定方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、建造保温结构碎片特性鉴定系统：建造如权利要求1-5中任意一项所述的基于射流实验的保温结构碎片特性鉴定系统；
B、射流实验：启动爆破片使得储气罐（1）内的气体依次经过气动阀（2）、手动阀（3）、爆破片及夹持器（4）后从射流管道（5）喷射到保温结构模拟体（6）表面；
C、收集碎片：将碎片分为金属碎片和纤维碎片，纤维碎片分为纤维小碎片和纤维大碎片，拦截获得纤维大碎片，基于求差法获得纤维小碎片质量和纤维小碎片份额，纤维小碎片质量等于保温结构模拟体中的双壁盒式保温模块的初始质量减去金属碎片质量再减去纤维大碎片质量；
D、碎片特性评价分析：每次射流实验后将新的保温结构模拟体远离射流管道，直至保温结构模拟体不被明显破坏，基于数值计算获得每次射流实验射流管道轴线上保温模拟体外表面位置处滞止压力，绘制纤维碎片小碎片份额随压力的变化曲线，比较分析双壁盒式保温结构碎片特性。
7.根据权利要求6所述的鉴定方法，其特征在于，所述纤维碎片分为纤维小碎片和纤维大碎片的方法是：选用孔径为40 mm×100 mm的楼面格栅板拦截获得的纤维碎片为纤维大碎片。
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