CN109524136B - 一种高能管断裂甩击行为的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能管断裂甩击行为的试验装置，它包括控制模块、加热模块（1）、补水模块（2）、变频水泵（3）和试验模块，试验模块包括防护钢板箱（4）、压力罐（5）和高能管，压力罐（5）和高能管均设置于防护钢板箱（4）内，高能管包括直管段（6）和弯管段（7），直管段（6）和弯管段（7）之间设置有耐高温金属修复剂，直管段（6）上设置有限制其甩动的限制件（8）；它还公开了试验方法。本发明的有益效果是：能够测得管道甩击时管道的动力学响应，验证理论模型、修正理论分析结果；能够研究限制件对高能管断裂甩击行为的影响机理，基于防甩限制件参数对高能管双端断裂甩击行为的影响规律，提出高能管断裂防甩控制措施。

Description

一种高能管断裂甩击行为的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高能管断裂甩击行为的试验装置及方法。

背景技术

主蒸汽管道和主给水管道是核电站常规岛中的主要部件，在核电站中起到动脉和静脉的作用。这些类型的管道最高正常运行温度超过93oC、最高正常运行压力超过1.9MPa，因而被称为高能管。高能管在长期服役过程中由于内部缺陷、管道老化，疲劳应力或遭遇地震等因素作用，易于产生破裂，管道一旦发生破裂（尤其是双端断裂），管道中输送的介质将迅速喷放，形成巨大的喷射力。在喷射力的作用下，破裂管道将会发生甩动，对管道周边的仪器仪表、构筑物以及人员造成破坏和损伤，后果极为严重。例如：1979年3月28日，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站2号机组，由于管道内蒸汽压力过高导致管道破裂，引起失水事故，致使堆芯熔化，产生核泄漏。1986年12月9日，美国宾夕法尼亚州萨里核电站2号机组，其凝结水管线上的一个18英寸弯头在运行时突然破裂，造成4死4伤的严重后果。2004年8月9日，日本美滨核电站3号机组汽轮机厂房内的凝气管A回路发生了爆管，管内喷出的高温高压蒸汽导致5人死亡、6人受伤。因此如何预防和控制高能管的甩击破坏是核电安全运行的重要保障。

目前，国内外学者对高能管破裂情况下由于流体喷射产生的甩击行为开展了一定的研究，并取得了一定的成果，但仍存在以下几点不足之处：

（1）针对高能管甩击喷射力的计算方法，研究者主要采用ANSI/ANSI-58.2规范中的计算方法，该方法主要基于国外80年代开展的实验而来，其计算精度无法满足现有工况，并且国内还未见高能管破裂甩击喷射力实验研究的报道；（2）针对高能管甩击理论方面的研究，大多数的研究把复杂的高能管简化为悬臂直管，与高能管的实际结构差别较大，且主蒸汽管道内部流体的压力和温度的对甩击行为的影响也未能充分考虑；（3）高能管双端断裂甩击行为研究主要集中于国外，高能管双端断裂甩击理论和防甩技术长期被国外垄断，国内还未形成自己的技术标准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高能管断裂甩击行为的试验装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种高能管断裂甩击行为的试验装置，它包括控制模块、加热模块、补水模块、变频水泵和试验模块，所述试验模块包括防护钢板箱、压力罐和高能管，压力罐和高能管均设置于防护钢板箱内，高能管包括直管段和弯管段，直管段和弯管段之间设置有耐高温金属修复剂，直管段法兰连接到压力罐上，直管段上设置有限制其甩动的限制件，限制件为U型件，直管段与弯管段连接处的正下方放置有压力传感器A，直管段上设置有压力传感器B、温度传感器B和位移传感器，所述补水模块与加热模块的入口端连接，加热模块的出口端与变频水泵的吸水口经管道连接，变频水泵的排水口经管道与压力罐的下端部连通；所述控制模块包括计算机和PLC控制器，计算机与PLC控制器连接，所述温度传感器B、压力传感器A和压力传感器B均与PLC控制器分别经信号线连接。

所述的补水模块为水箱。

所述的加热模块包括加热罐、加热棒和电源，所述加热罐内设置有温度传感器A和液位传感器，温度传感器A与PLC控制器经信号线连接，加热罐内竖向布置有多根加热棒，电源的输出端口经导线与加热棒连接，加热罐的上下端部分别开设有出水端和入口端，出口端与变频水泵的吸水口连接。

所述补水模块与加热罐之间连接有补水泵。

所述的试验装置对高能管断裂甩击行为的试验方法，它包括以下步骤：

S1、启动补水泵，补水泵将水箱内的水泵入到加热罐中，液位传感器实时将加热罐内的液位信号转换为电信号，并传递给PLC控制器，PLC控制器再将液位信号传递给计算机，当液位达到试验所需液位时，关闭补水泵；

S2、打开电源，电源给加热棒通入电流，加热棒对加热罐内的水进行加热，温度传感器A将水的温度信号转换为电信号后传递给PLC控制器，PLC控制器在将温度信号传递给计算机，当水温达到试验所需温度时，关闭电源；

S3、打开变频水泵，变频水泵将加热罐内的水抽出，经加压后再泵送到压力罐中，在水压下水进入到高能管中，直到高能管在耐高温金属修复剂处破裂，高能管甩击到压力传感器A上，压力传感器A将冲击力转换为电信号并传递给PLC控制器，同时温度传感器B和压力传感器B分别记录高能管破裂瞬间，水流的温度值和压力值，并将温度值和压力值传递给PLC控制器，同时位移传感器测量高能管的位移，并将位移信号传递给PLC控制器；

S4、高能管断裂甩击非线性振动的试验：通过改变电源的电流，以改变加热罐中水的温度，重复步骤S1~S3，以完成不同流体温度、不同流体压力下，高能管的动力学响应；

S5、限制件参数对高能管断裂甩击动力学行为的试验，具体包括以下步骤：

S51、将限制件的直径设为32mm、将限制件距破口处的距离设为500mm和将限制件距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件的数量设为7根、8根、9根和10根，重复步骤S1~S3，得到不同数量的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的数量对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S52、将限制件的数量设为9根、将限制件距破口处的距离设为500mm和将限制件距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件的直径设为28mm、32mm、36mm和40mm，重复步骤S1~S3，得到不同直径的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的直径对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S53、将限制件的直径设为32mm、将限制件的数量设为9根和将限制件距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件距破口中心处的距离设为400mm、450mm、500mm和600mm，重复步骤S1~S3，得到不同安装位置的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的安装位置对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S54、将限制件的直径设为32mm、将限制件的数量设为9根和将限制件距破口处的距离设为500mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件距高能管之间的间隙设为50mm、100mm、150mm和200mm，重复步骤S1~S3，得到不同间隙的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件与高能管之间的间隙对高能管断裂甩击力学特性的影响机理。

本发明具有以下优点：本发明能够测得管道甩击时管道的动力学响应，验证理论模型、修正理论分析结果。本发明能够研究限制件对高能管断裂甩击行为的影响机理，基于防甩限制件参数对高能管双端断裂甩击行为的影响规律，提出高能管断裂防甩控制措施。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图中，1-加热模块，2-补水模块，3-变频水泵，4-防护钢板箱，5-压力罐，6-直管段，7-弯管段，8-限制件，9-压力传感器A，10-压力传感器B，11-温度传感器B，12-位移传感器，13-计算机，14-PLC控制器，15-加热罐，16-加热棒，17-电源，18-温度传感器A，19-导线，20-补水泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，一种高能管断裂甩击行为的试验装置，它包括控制模块、加热模块1、补水模块2、变频水泵3和试验模块，本实施例中补水模块2为水箱，补水模块2与加热罐15之间连接有补水泵20，所述试验模块包括防护钢板箱4、压力罐5和高能管，压力罐5和高能管均设置于防护钢板箱4内，防护钢板箱4起到安全保护的作用，高能管包括直管段6和弯管段7，直管段6和弯管段7之间设置有耐高温金属修复剂，耐高温金属修复剂模拟高能管道的断口，直管段6法兰连接到压力罐5上，直管段6上设置有限制其甩动的限制件8，限制件8为U型件，直管段6与弯管段7连接处的正下方放置有压力传感器A9，直管段6上设置有压力传感器B10、温度传感器B11和位移传感器12，所述补水模块2与加热模块1的入口端连接，加热模块1的出口端与变频水泵3的吸水口经管道连接，变频水泵3的排水口经管道与压力罐5的下端部连通。

所述控制模块包括计算机13和PLC控制器14，计算机13与PLC控制器14连接，所述温度传感器B11、压力传感器A9和压力传感器B10均与PLC控制器14分别经信号线连接。

如图1所示，所述的加热模块包括加热罐15、加热棒16和电源17，所述加热罐15内设置有温度传感器A18和液位传感器，温度传感器A18与PLC控制器14经信号线连接，加热罐15内竖向布置有多根加热棒16，电源17的输出端口经导线19与加热棒16连接，加热罐15的上下端部分别开设有出水端和入口端，出口端与变频水泵3的吸水口连接。

所述的试验装置对高能管断裂甩击行为的试验方法，它包括以下步骤：

S1、启动补水泵20，补水泵20将水箱内的水泵入到加热罐15中，液位传感器实时将加热罐15内的液位信号转换为电信号，并传递给PLC控制器14，PLC控制器14再将液位信号传递给计算机13，当液位达到试验所需液位时，关闭补水泵20；

S2、打开电源17，电源17给加热棒16通入电流，加热棒16对加热罐15内的水进行加热，温度传感器A18将水的温度信号转换为电信号后传递给PLC控制器14，PLC控制器在将温度信号传递给计算机13，当水温达到试验所需温度时，关闭电源17；

S3、打开变频水泵3，变频水泵3将加热罐15内的水抽出，经加压后再泵送到压力罐5中，在水压下水进入到高能管中，直到高能管在耐高温金属修复剂处破裂，高能管甩击到压力传感器A9上，该冲击力用于模拟冲击到发电站混凝土墙体的冲击力，压力传感器A9将冲击力转换为电信号并传递给PLC控制器14，同时温度传感器B11和压力传感器B10分别记录高能管破裂瞬间，水流的温度值和压力值，并将温度值和压力值传递给PLC控制器14，同时位移传感器12测量高能管的位移，并将位移信号传递给PLC控制器；

S4、高能管断裂甩击非线性振动的试验：通过改变电源17的电流，以改变加热罐15中水的温度，重复步骤S1~S3，以完成不同流体温度、不同流体压力下，高能管的动力学响应；

S5、限制件参数对高能管断裂甩击动力学行为的试验，具体包括以下步骤：

S51、将限制件8的直径设为32mm、将限制件8距破口处的距离设为500mm和将限制件8距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件8的数量设为7根、8根、9根和10根，重复步骤S1~S3，得到不同数量的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的数量对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S52、将限制件8的数量设为9根、将限制件8距破口处的距离设为500mm和将限制件8距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件8的直径设为28mm、32mm、36mm和40mm，重复步骤S1~S3，得到不同直径的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的直径对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S53、将限制件8的直径设为32mm、将限制件8的数量设为9根和将限制件8距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件8距破口中心处的距离设为400mm、450mm、500mm和600mm，重复步骤S1~S3，得到不同安装位置的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的安装位置对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S54、将限制件8的直径设为32mm、将限制件8的数量设为9根和将限制件8距破口处的距离设为500mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件8距高能管之间的间隙设为50mm、100mm、150mm和200mm，重复步骤S1~S3，得到不同间隙的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件与高能管之间的间隙对高能管断裂甩击力学特性的影响机理，因此该装置研究了限制件对高能断裂甩击行为的影响机理，包括限制件数量、制件直径、安装位置、限制件与高能管道之间间隙对高能管断裂甩击行为的影响机理，并基于防甩限制件参数对高能管双端断裂甩击行为的影响规律，提出高能管断裂防甩控制措施。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种高能管断裂甩击行为的试验装置，其特征在于：它包括控制模块、加热模块（1）、补水模块（2）、变频水泵（3）和试验模块，所述试验模块包括防护钢板箱（4）、压力罐（5）和高能管，压力罐（5）和高能管均设置于防护钢板箱（4）内，高能管包括直管段（6）和弯管段（7），直管段（6）和弯管段（7）之间设置有耐高温金属修复剂，直管段（6）法兰连接到压力罐（5）上，直管段（6）上设置有限制其甩动的限制件（8），限制件（8）为U型件，直管段（6）与弯管段（7）连接处的正下方放置有压力传感器A（9），直管段（6）上设置有压力传感器B（10）、温度传感器B（11）和位移传感器（12），所述补水模块（2）与加热模块（1）的入口端连接，加热模块（1）的出口端与变频水泵（3）的吸水口经管道连接，变频水泵（3）的排水口经管道与压力罐（5）的下端部连通；所述控制模块包括计算机（13）和PLC控制器（14），计算机（13）与PLC控制器（14）连接，所述温度传感器B（11）、压力传感器A（9）和压力传感器B（10）均与PLC控制器（14）分别经信号线连接；

该装置对高能管断裂甩击行为的试验方法包括以下步骤：

S1、启动补水泵，将水箱内的水泵入到加热罐中，当液位达到试验所需液位时，关闭补水泵；

S2、打开电源，加热棒对加热罐内的水进行加热，当水温达到试验所需温度时，关闭电源；

S3、打开变频水泵，变频水泵将加热罐内的水抽出，经加压后再泵送到压力罐中，在水压下水进入到高能管中，直到高能管在耐高温金属修复剂处破裂，高能管甩击到压力传感器A上，压力传感器A将冲击力转换为电信号并传递给PLC控制器，同时温度传感器B和压力传感器B分别记录高能管破裂瞬间，水流的温度值和压力值，并将温度值和压力值传递给PLC控制器，同时位移传感器测量高能管的位移，并将位移信号传递给PLC控制器；

S4、高能管断裂甩击非线性振动的试验：通过改变电源的电流，以改变加热罐中水的温度，重复步骤S1~S3，以完成不同流体温度、不同流体压力下，高能管的动力学响应；

S5、限制件参数对高能管断裂甩击动力学行为的试验。

2.根据权利要求1所述的一种高能管断裂甩击行为的试验装置，其特征在于：所述的补水模块（2）为水箱。

3.根据权利要求1所述的一种高能管断裂甩击行为的试验装置，其特征在于：所述的加热模块包括加热罐（15）、加热棒（16）和电源（17），所述加热罐（15）内设置有温度传感器A（18）和液位传感器，温度传感器A（18）与PLC控制器（14）经信号线连接，加热罐（15）内竖向布置有多根加热棒（16），电源（17）的输出端口经导线（19）与加热棒（16）连接，加热罐（15）的上下端部分别开设有出水端和入口端，出口端与变频水泵（3）的吸水口连接。

4.根据权利要求2所述的一种高能管断裂甩击行为的试验装置，其特征在于：所述补水模块（2）与加热罐（15）之间连接有补水泵（20）。

5.根据权利要求1~4中任意一项所述的试验装置对高能管断裂甩击行为的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、启动补水泵（20），补水泵（20）将水箱内的水泵入到加热罐（15）中，液位传感器实时将加热罐（15）内的液位信号转换为电信号，并传递给PLC控制器（14），PLC控制器（14）再将液位信号传递给计算机（13），当液位达到试验所需液位时，关闭补水泵（20）；

S2、打开电源（17），电源（17）给加热棒（16）通入电流，加热棒（16）对加热罐（15）内的水进行加热，温度传感器A（18）将水的温度信号转换为电信号后传递给PLC控制器（14），PLC控制器在将温度信号传递给计算机（13），当水温达到试验所需温度时，关闭电源（17）；

S3、打开变频水泵（3），变频水泵（3）将加热罐（15）内的水抽出，经加压后再泵送到压力罐（5）中，在水压下水进入到高能管中，直到高能管在耐高温金属修复剂处破裂，高能管甩击到压力传感器A（9）上，压力传感器A（9）将冲击力转换为电信号并传递给PLC控制器（14），同时温度传感器B（11）和压力传感器B（10）分别记录高能管破裂瞬间，水流的温度值和压力值，并将温度值和压力值传递给PLC控制器（14），同时位移传感器（12）测量高能管的位移，并将位移信号传递给PLC控制器；

S4、高能管断裂甩击非线性振动的试验：通过改变电源（17）的电流，以改变加热罐（15）中水的温度，重复步骤S1~S3，以完成不同流体温度、不同流体压力下，高能管的动力学响应；

S5、限制件参数对高能管断裂甩击动力学行为的试验，具体包括以下步骤：

S51、将限制件（8）的直径设为32mm、将限制件（8）距破口处的距离设为500mm和将限制件（8）距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件（8）的数量设为7根、8根、9根和10根，重复步骤S1~S3，得到不同数量的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的数量对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S52、将限制件（8）的数量设为9根、将限制件（8）距破口处的距离设为500mm和将限制件（8）距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件（8）的直径设为28mm、32mm、36mm和40mm，重复步骤S1~S3，得到不同直径的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的直径对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S53、将限制件（8）的直径设为32mm、将限制件（8）的数量设为9根和将限制件（8）距高能管之间的间隙设为100mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件（8）距破口中心处的距离设为400mm、450mm、500mm和600mm，重复步骤S1~S3，得到不同安装位置的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件的安装位置对高能管断裂甩击力学特性的影响机理；

S54、将限制件（8）的直径设为32mm、将限制件（8）的数量设为9根和将限制件（8）距破口处的距离设为500mm，并将以上参数保持不变，再分别将限制件（8）距高能管之间的间隙设为50mm、100mm、150mm和200mm，重复步骤S1~S3，得到不同间隙的限制件作用下，高能管断裂甩击动力学响应，揭示限制件与高能管之间的间隙对高能管断裂甩击力学特性的影响机理。

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