CN107633134B - 一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法 - Google Patents

一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法，根据工程经验确定传热管的磨损深度的范围；根据传热管和防振条的位置限制，确定防振条扭转角度的范围,结合传热管与防振条接触方式，利用公式(1)确定磨损的传热管横截面积；当传热管磨损深度属于第一预设范围，则利用公式(2)计算传热管磨损体积；当传热管磨损深度属于第二预设范围，则利用公式(3)计算传热管磨损体积。该分析方法便捷、高效、全面地实现了防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响分析，根据分析结果可对传热管和防振条的结构设计进行优化。

Description

一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法
技术领域
本发明涉及反应堆结构力学、蒸汽发生器结构设计领域，具体涉及一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法。
背景技术
蒸汽发生器是核电站的重要设备，它通过传热管将反应堆冷却剂从堆芯获得的热量传递给二次侧介质，使其转化为蒸汽，蒸汽送入汽轮机发电。蒸汽发生器传热管的破裂会造成反应堆冷却剂系统小失水事故从而危机反应堆安全，且通过破管泄漏的放射性物质有可能从二回路释放至环境。
根据国内外核电站中对蒸汽发生器部件失效的多例事故的统计分析可知，传热管的流致振动及其磨损、介质腐蚀使得管壁逐渐变薄，是导致传热管承压能力降低而破裂的主要原因。蒸汽发生器传热管弯管区域设置多组防振条组件，防振条的功能是支承弯管区的传热管，增加弯管区传热管的刚度，提高传热管固有频率，以抑制在正常运行工况下传热管束流致振动以及振动引起的不可接受的微振磨损，从而保证传热管压力边界在寿期内的完整性。
传热管和防振条之间存在间隙，在二次侧流体作用下，传热管会发生振动，依靠传热管与防振条之间的非线性冲击来限制传热管振动，这种非线性相互作用会引起传热管的磨损。受一些不确定因素的影响，在制造和安装过程中可能导致防振条出现一定的扭转，改变了传热管与防振条之间的间隙以及接触状态，对传热管的磨损性能产生影响，但是截止目前防振条扭转对传热管的磨损影响的分析方法研究尚属空白，防振条的扭转会对传热管的磨损产生多大的影响困扰着结构力学分析人员，设计人员也无从进行结构设计改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是防振条扭转对传热管的磨损影响的分析方法研究尚属空白，防振条的扭转会对传热管的磨损产生多大的影响困扰着结构力学分析人员，设计人员也无从进行结构设计改进，其目的在于提供一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法，该分析方法解决了对于不同的防振条扭转角度，传热管的磨损情况评价问题；对于给定的磨损体积，确定了防振条扭转角度对磨损深度的影响；对于不同的防振条扭转角度，可获得传热管磨损体积许用值；为防振条扭转对传热管磨损的影响分析提供了一套准确的通用方法，从防振条扭转角度为传热管和防振条的结构设计改进优化、安全评价提供了一种分析方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法，包括以下步骤：
(1)根据传热管和防振条的位置限制，确定防振条扭转角度的范围，防振条的扭转角度的取值范围为
Figure BDA0001411393850000021
其中传热管与防振条之间的间隙为g，防振条的宽度为w；
(2)根据工程经验确定传热管的磨损深度的范围，传热管的磨损深度的取值范围为h∈[0，40％t]，其中t为传热管壁厚；
(3)结合传热管与防振条接触方式，确定磨损的传热管横截面积，磨损的传热管横截面积计算公式为：
Figure BDA0001411393850000022
其中传热管直径为D，磨损深度为h；
(4)根据步骤(2)和(3)获得的参数与传热管磨损深度的预设范围确定传热管磨损体积，当传热管磨损深度属于第一预设范围内时，传热管磨损体积为：
Figure BDA0001411393850000023
其中防振条的扭转角度为θ；
(5)当传热管磨损深度属于第二预设范围内时，传热管磨损体积为：
Figure BDA0001411393850000024
对于不同的防振条扭转角度，可以通过设计员自己编写编程序来实现自动计算，从而加快计算过程和保证计算的准确性，通过得到的数值确定传热管磨损体积和磨损深度之间的关系，从而对传热管的磨损情况进行评价；对于不同的传热管磨损体积，可以通过设计员自己编写编程序来实现自动计算，从而加快计算过程和保证计算的准确性，通过得到的数值确定防振条扭转角度和磨损深度之间的关系，从而确定防振条扭转角度对磨损深度的影响。
目前在蒸汽发生器传热管之间为了支承弯管区的传热管，增加弯管区传热管的刚度，提高传热管固有频率，以抑制在正常运行工况下传热管束流致振动以及振动引起的不可接受的微振磨损，从而保证传热管压力边界在寿期内的完整性，安装有防振条，在安装时，理论上如果防振条和传热管之间没有间隙，则将不会引起传热管的磨损，但是实际上由于传热管比较薄而不能进行焊接固定，同时在使用过程中，由于流体作用始终会产生间隙，在加上受一些不确定因素的影响，在制造和安装过程中由于制造和安装水平可能导致防振条出现一定的扭转，改变了传热管与防振条之间的间隙以及接触状态，对传热管的磨损性能产生影响，而目前防振条扭转对传热管的磨损影响的分析方法研究尚属空白。对于不同的防振条扭转角度，无法对传热管的磨损情况进行评价。对于给定的磨损体积，无法确定防振条扭转角度对磨损深度的影响。对于不同的防振条扭转角度，无法确定传热管磨损体积许用值。难以从防振条扭转和传热管磨损角度对传热管和防振条的结构设计进行优化。本方案则是通过上述五个步骤和三个公式，能够对不同的防振条扭转角度、不同的传热管磨损体积、传热管的许用磨损深度进行计算，便于对传热管的磨损情况进行评价，确定防振条扭转角度对磨损深度的影响，同时能够获得传热管磨损体积许用值，便于从防振条扭转和传热管磨损角度对传热管和防振条的结构设计进行优化。
根据传热管磨损深度的预设范围确定传热管磨损体积，将传热管磨损深度的取值范围预设为两部分，其中第一预设范围为：传热管磨损深度h≤wθ，当传热管磨损深度属于第一预设范围内时，在这个范围内采用公式(2)计算；第二预设范围为：传热管磨损深度wθ＜h＜40％t，当传热管磨损深度属于第二预设范围内时，在这个范围内采用公式(3)计算，这样才能保证传热管磨损体积计算准确。对于传热管的许用磨损深度，可以通过设计员自己编写编程序来实现自动计算，从而加快计算过程和保证计算的准确性，通过得到的数值确定防振条扭转角度和许用磨损体积之间的关系，从而确定不同的防振条扭转角度所对应的传热管磨损体积许用值。
在实际应用本方法进行分析计算时，需要有一个前提条件，即对结构有要求，为传热管与防振条之间的间隙远小于防振条宽度，根据实际应用时的总结，在传热管与防振条之间的间隙尺寸和防振条宽度尺寸之间的比值小于0.05时，应用本方法能够完全满足要求。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、利用本发明提供的方法可高效、便捷地计算不同的防振条偏转角度情况下，传热管的磨损体积以及磨损深度，从而对传热管的磨损情况进行评价；
2、本发明可用于计算不同的防振条磨损体积，防振条扭转角度对磨损深度的影响；
3、本发明可方便地确定，对于传热管许用的磨损深度，不同的防振条扭转角度所对应的传热管磨损体积许用值；
4、所有过程都可以通过计算机程序来实现计算过程，计算结果可靠，便于用于评价防振条扭转对传热管磨损的影响；
5、根据分析结果可对传热管和防振条的结构设计进行优化。
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为本发明的分析原理图；
图2为本发明中的传热管与防振条布置示意图；
图3为本发明中的防振条处于标准位置示意图；
图4为本发明中的防振条扭转示意图；
图5为本发明中传热管磨损体积示意图；
图6为本发明实施例1中传热管磨损体积与磨损深度之间的关系；
图7为本发明实施例1中的防振条扭转角度和磨损深度之间的关系；
图8为本发明实施例1中的防振条扭转角度和许用磨损体积之间的关系。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-防振条，2-上传热管，3-下传热管。
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至图5所示，蒸汽发生器传热管弯管区域设置多组防振条组件，支承弯管区的传热管，减小因二次侧流体引起的振动。本实施例取典型的传热管与防振条装配作为研究对象，在上传热管2和下传热管3之间设置防振条1，模型示意图如图2所示，设定模型中传热管外径D为20mm，传热管壁厚t为1mm，防振条磨损宽度w为12mm，传热管与防振条之间的间隙g为0.15mm，上传热管2和下传热管3和防振条1之间存在间隙，防振条1处于标准位置的示意图如图3所示，受一些不确定因素的影响，在制造和安装过程中可能导致防振条出现一定的扭转，防振条发生扭转的示意图如图4所示。防振条发生扭转后造成的传热管磨损体积示意图如图5所示。
如图1至图5所示，本分析方法通过以下步骤来实现：
先进入步骤S10和S40，S10为根据工程经验确定传热管的磨损深度范围值为(0至0.4mm)；S40为根据本实施例设定的参数结构限制，确定防振条扭转角度θ的数值范围为(0°至1.432°)；
再进入S20步骤，先结合传热管与防振条接触方式，利用公式(1)代入参数确定磨损的传热管横截面积，得到A的范围值为(0至1.508mm2)；
在步骤S20之后，便进入步骤S301，计算第一预设范围，如果步骤S20得到的传热管磨损深度属于第一预设范围，则利用公式(2)计算出传热管的磨损体积。例如防振条扭转角度为1.432°，磨损深度为0.3mm，第一预设范围为0-0.3mm，磨损深度属于第一预设范围，利用公式(2)计算出传热管的磨损体积V＝4.7mm3。
同时在步骤S20之后进入步骤S302，计算第二预设范围，如果传热管磨损深度属于第二预设范围，则利用公式(3)计算传热管的磨损体积。例如防振条扭转角度为1.432°，磨损深度为0.4mm，第一预设范围为0.3-0.4mm，磨损深度属于第二预设范围，利用公式(3)计算出传热管的磨损体积V＝11.05mm3。
具体针对本实施例来说，通过步骤S10和S20确定传热管横截面积和磨损深度的范围，通过判断传热管磨损深度所属的预设范围，进行S301和S302步骤的计算，通过S40确定防振条扭转角度的范围，之后通过S501、S502和S503步骤分别计算传热管磨损深度、磨损体积以及防振条扭转角度之间的关系，完成后进入步骤S60输出计算结果，获得图6中传热管磨损体积与磨损深度之间的关系图，图7中防振条扭转角度和磨损深度之间的关系图，图8中防振条扭转角度和许用磨损体积之间的关系图。
实施例2：
如图1至图5所示，蒸汽发生器传热管弯管区域设置多组防振条组件，支承弯管区的传热管，减小因二次侧流体引起的振动。本实施例取典型的传热管与防振条装配作为研究对象，在上传热管2和下传热管3之间设置防振条1，模型示意图如图2所示，设定模型中传热管外径D为17.5mm，传热管壁厚t为2.0mm，防振条磨损宽度w为10mm，传热管与防振条之间的间隙g为0.30mm，上传热管2和下传热管3和防振条1之间存在间隙，防振条1处于标准位置的示意图如图3所示，受一些不确定因素的影响，在制造和安装过程中可能导致防振条出现一定的扭转，防振条发生扭转的示意图如图4所示。防振条发生扭转后造成的传热管磨损体积示意图如图5所示。
如图1至图5所示，本分析方法通过以下步骤来实现：
先进入步骤S10和S40，S10为根据工程经验确定传热管的磨损深度范围值为(0°至0.4mm)；S40为根据本实施例设定的参数结构限制，确定防振条扭转角度θ的数值范围为(0至(0°至3.438°)；
再进入S20步骤，先结合传热管与防振条接触方式，利用公式(1)代入参数确定磨损的传热管横截面积，得到A的范围值为(0至3.99mm2)；
在步骤S20之后，便进入步骤S301，计算第一预设范围，如果步骤S20得到的传热管磨损深度属于第一预设范围，则利用公式(2)计算出传热管的磨损体积。例如防振条扭转角度为3.438°，磨损深度为0.6mm，第一预设范围为0-0.6mm，磨损深度属于第一预设范围，利用公式(2)计算出传热管的磨损体积V＝10.37mm3。
同时在步骤S20之后进入步骤S302，计算第二预设范围，如果传热管磨损深度属于第二预设范围，则利用公式(3)计算传热管的磨损体积。例如防振条扭转角度为3.438°，磨损深度为0.8mm，第一预设范围为0.6-0.8mm，磨损深度属于第二预设范围，利用公式(3)计算出传热管的磨损体积V＝24.36mm3。
具体针对本实施例来说，通过步骤S10和S20确定传热管横截面积和磨损深度的范围，通过判断传热管磨损深度所属的预设范围，进行S301和S302步骤的计算，通过S40确定防振条扭转角度的范围，之后通过S501、S502和S503步骤分别计算传热管磨损深度、磨损体积以及防振条扭转角度之间的关系，完成后进入步骤S60输出计算结果，获得传热管磨损体积与磨损深度之间的关系图、防振条扭转角度和磨损深度之间的关系图、防振条扭转角度和许用磨损体积之间的关系图。
实施例3：
如图1至图5所示，蒸汽发生器传热管弯管区域设置多组防振条组件，支承弯管区的传热管，减小因二次侧流体引起的振动。本实施例取典型的传热管与防振条装配作为研究对象，在上传热管2和下传热管3之间设置防振条1，模型示意图如图2所示，设定模型中传热管外径D为22.3mm，传热管壁厚t为3mm，防振条磨损宽度w为14mm，传热管与防振条之间的间隙g为0.40mm，上传热管2和下传热管3和防振条1之间存在间隙，防振条1处于标准位置的示意图如图3所示，受一些不确定因素的影响，在制造和安装过程中可能导致防振条出现一定的扭转，防振条发生扭转的示意图如图4所示。防振条发生扭转后造成的传热管磨损体积示意图如图5所示。
如图1至图5所示，本分析方法通过以下步骤来实现：
先进入步骤S10和S40，S10为根据工程经验确定传热管的磨损深度范围值为(0至1.2mm)；S40为根据本实施例设定的参数结构限制，确定防振条扭转角度θ的数值范围为(0°至3.247°)；
再进入S20步骤，先结合传热管与防振条接触方式，利用公式(1)代入参数确定磨损的传热管横截面积，得到A的范围值为(0至8.278mm2)；
在步骤S20之后，便进入步骤S301，计算第一预设范围，如果步骤S20得到的传热管磨损深度属于第一预设范围，则利用公式(2)计算出传热管的磨损体积。例如防振条扭转角度为3.274°，磨损深度为0.8mm，第一预设范围为0-0.8mm，磨损深度属于第一预设范围，利用公式(2)计算出传热管的磨损体积V＝25.23mm3。
同时在步骤S20之后进入步骤S302，计算第二预设范围，如果传热管磨损深度属于第二预设范围，则利用公式(3)计算传热管的磨损体积。例如防振条扭转角度为3.274°，磨损深度为1.2mm，第一预设范围为0.8-1.2mm，磨损深度属于第二预设范围，利用公式(3)计算出传热管的磨损体积V＝78.03mm3。
具体针对本实施例来说，通过步骤S10和S20确定传热管横截面积和磨损深度的范围，通过判断传热管磨损深度所属的预设范围，进行S301和S302步骤的计算，通过S40确定防振条扭转角度的范围，之后通过S501、S502和S503步骤分别计算传热管磨损深度、磨损体积以及防振条扭转角度之间的关系，完成后进入步骤S60输出计算结果，获得传热管磨损体积与磨损深度之间的关系图、防振条扭转角度和磨损深度之间的关系图、防振条扭转角度和许用磨损体积之间的关系图。
本发明解决了对于不同的防振条扭转角度，传热管的磨损情况评价问题；对于给定的磨损体积，确定了防振条扭转角度对磨损深度的影响；对于不同的防振条扭转角度，可获得传热管磨损体积许用值；为防振条扭转对传热管磨损的影响分析提供了一套准确的通用方法，从防振条扭转角度为传热管和防振条的结构设计改进优化、安全评价提供了一种分析方法。
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 (2)

1.一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据传热管和防振条的位置限制，确定防振条扭转角度的范围，防振条的扭转角度的取值范围为
Figure FDA0002796305290000011
其中传热管与防振条之间的间隙为g，防振条的宽度为w；
(2)根据工程经验确定传热管的磨损深度的范围，传热管的磨损深度的取值范围为h∈[0，40％t]，其中t为传热管壁厚；
(3)结合传热管与防振条接触方式，确定磨损的传热管横截面积，磨损的传热管横截面积计算公式为：
Figure FDA0002796305290000012
其中传热管直径为D，磨损深度为h；
(4)根据步骤(2)和(3)获得的参数与传热管磨损深度的预设范围确定传热管磨损体积，当传热管磨损深度属于第一预设范围内时，传热管磨损体积为：
Figure FDA0002796305290000013
其中防振条的扭转角度为θ；
(5)当传热管磨损深度属于第二预设范围内时，传热管磨损体积为：
Figure FDA0002796305290000014
所述第一预设范围为：传热管磨损深度h≤wθ；所述第二预设范围为：传热管磨损深度wθ＜h＜40％t。
2.根据权利要求1所述的一种防振条扭转对蒸汽发生器传热管磨损影响的分析方法，其特征在于，所述传热管与防振条之间的间隙尺寸和防振条宽度尺寸之间的比值小于0.05。
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