CN110108455B - 一种核电厂小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种核电厂小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法,包括步骤:S1、在管道上安装多个沿其轴向间隔设置的位移传感器,每一所述位移传感器作为一个测量点;S2、通过位移传感器获取测量点的振动位移值,并采用勾股定理根据测量点的水平位置信息计算当前时刻管道振动变形的曲率半径;S3、获取待测量管道的结构参数,并根据所述结构参数和曲率半径计算当前时刻管道振动的弯曲应力;S4、通过位移传感器获取任一测量点的实时振动位移值及其频率信息,采用Miner线性累计理论计算管道振动的线性累计损伤,并计算管道的剩余寿命。本发明采用非接触式测量方式,实现了管道振动弯曲应力和疲劳寿命的快速计算,具有良好的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂管道应力分析技术领域,具体涉及一种核电厂小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法。
背景技术
核电厂管道由于长期处于高温高压工作状态,在内部和外部载荷的作用下,易发生疲劳损伤,可能会导致管道开裂、管内流体泄漏,甚至发生管道断裂。小型管道(外径小于3英寸)因其存在数量多、结构复杂、分布广泛等特点,是疲劳失效事件的高发地带。为保证管道的安全运行,需要合理预测其使用寿命甚至优化改进设计方案,其关键措施之一在于管道振动应力的获取,因此,合理的振动应力获取方式就显得尤为重要。
现有的技术方案之一是通过在管道内直接布置应变片测量应力,通过收集的振动应力信息评估管道的健康状态,该方法操作方便、使用简单。然而,该技术方案存在以下缺陷:(1)目前应变片主要有焊接和特殊工业胶两种固定方式,焊接可能破坏应变片,工业胶不适用于高温,某些项目现场工程经验表明,应变片的脱落率高达50%;(2)现有市场上成熟的应变片产品基本不能适用于350℃以上的工作温度;(3)越靠近管道,辐照剂量越高,接触式测量方式增加了维修期间工作人员遭受剂量照射的风险;
现有的技术方案之二是在管道上配置加速度传感器测量振动加速度、速度以及位移信息,加速度传感器一般与被测对象采用螺栓或机械连接方式固定,该方法解决了工作环境的适用性问题。然而,该技术方案也存在以下缺陷:(1)在管道上增加新的硬件设备,将改变管道原有的振动特性,该影响对于小型管道尤其明显;(2)该方法要求技术人员具有模态分析的专业知识,计算结果较为繁琐;(3)越靠近管道,辐照剂量越高,接触式测量方式增加了维修期间工作人员遭受剂量照射的风险。
因此,急需一种新的系统理论和方法实现核电厂小型管道的振动应力测量及疲劳寿命评估。
发明内容
本发明针对现有技术中管道的振动应力测量存在高辐照及高温度等问题,提供了一种核电厂小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法,能够测量管道的振动位移值及其频率信息,从而实现管道振动应力和机械疲劳寿命的快速计算。
本发明用于解决以上技术问题的技术方案为:提供一种核电厂小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法,包括步骤:
S1、在待测量管道上安装多个沿其轴向间隔设置的位移传感器,每一所述位移传感器作为一个测量点,记录所述测量点的水平位置信息;
S2、以每相邻的三个所述测量点为一组,通过所述位移传感器获取三个测量点在当前时刻的振动位移值(u1、u2、u3),并采用勾股定理根据三个所述测量点的水平位置信息计算当前时刻管道振动变形的曲率半径R;
S3、获取待测量管道的结构参数,并根据所述结构参数和曲率半径R计算当前时刻管道振动的弯曲应力σb;
S4、通过所述位移传感器获取任一所述测量点的实时振动位移值(u11,u12……u1n)及其出现的频率信息(k1,k2……kn),计算其对应的弯曲应力(σb1,σb2……σbn),根据疲劳曲线获取所述弯曲应力(σb1,σb2……σbn)对应的许可次数(N1,N2……Nn),采用Miner线性累计理论计算管道振动的线性累计损伤D:并计算管道的剩余寿命T:
优选地,所述位移传感器为电涡流位移传感器。
优选地,所述步骤S1中,以所述待测量管道的中心轴线为X轴方向建立X-Y坐标系,确定坐标系原点与待测量管道的中心轴线之间的垂直距离Y0,所述测量点的水平位置信息根据所述测量点在X-Y坐标系中的横坐标值计算。
优选地,所述步骤S2中,所述三个测量点包括间隔所述坐标系原点依次设置的第一测量点、第二测量点和第三测量点;所述三个测量点的水平位置信息包括所述坐标系原点与第一测量点之间的水平距离X0、所述第一测量点与第二测量点之间的水平距离X1,以及所述第三测量点与第二测量点之间的水平距离X2。
优选地,所述步骤S2具体包括:
S21、将管道振动的变形等效为弧形,其半径为所述曲率半径R,根据直角三角形勾股定理可知:
(X0)2+(-u1+Y0)2=R2 (1)
(X1+X0)2+(-u2+Y0)2=R2 (2)
(X2+X0)2+(-u3+Y0)2=R2 (3)
联合求解公式(1)、(2)、(3),可得:
S22、将已知值X1、X2、u1、u2和u3代入公式(4)和(5)中计算可得X0和Y0,再将X0和Y0代入公式(1)中计算可得管道振动变形的所述曲率半径R。
优选地,所述步骤S3中,所述结构参数包括待测量管道的杨氏模量E、截面惯性矩I、管道内径d和管道外径D。
优选地,所述步骤S3具体包括:
S31、基于梁理论计算公式计算管道振动的弯曲应力σb;
S32、使用管道内径d和管道外径D导出截面惯性矩I与截面模量Z的比率;
S33、将截面惯性矩I与截面模量Z的比率代入梁理论计算公式计算获取管道振动的弯曲应力σb。
实施本发明实施例提供的技术方案至少包括以下有益效果:
(1)通过位移传感器采用非接触式方式测量管道振动的振动位移值和频率信息,解决了靠近管道存在的高辐照、高温度及检修难度大的问题,同时不增加其他载荷,也能满足特殊工作环境的要求;
(2)将管道的振动变形近似等效为弧形,并基于勾股定理和梁理论计算公式实现了管道振动弯曲应力的快速计算,提高计算效率;
(3)基于Miner线性累计理论实现了管道振动的线性累计损伤和管道剩余寿命的快速计算。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明实施例示出的振动应力测量及疲劳寿命评估方法的流程图;
图2是本发明实施例示出的振动应力测量及疲劳寿命评估方法中位移传感器的装配示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明,下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的描述。
为了解决当前接触式测量管道振动应力带来的高辐照及高温度等问题,本发明旨在提供一种小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法,其核心思想是:采用位移传感器测量管道的振动位移值及频率信息,振动位移值用于计算管道振动的弯曲应力,频率信息用于计算管道振动的线性累计损伤,并评估管道的剩余寿命,从而实现管道振动应力及疲劳寿命评估的非接触式测量,解决了靠近管道测量存在的高辐照、高温度及检修难度大的问题。
结合图1和图2所示,本实施例示出的一种小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法,包括以下步骤:
S1、在待测量管道10上安装多个沿其轴向间隔设置的位移传感器20,每一位移传感器20作为一个测量点,记录所述测量点的水平位置信息;
S2、以每相邻的三个所述测量点为一组,通过位移传感器20获取三个测量点在当前时刻的振动位移值(u1、u2、u3),并采用勾股定理根据三个所述测量点的水平位置信息计算当前时刻管道振动变形的曲率半径R;
S3、获取待测量管道10的结构参数,并根据所述结构参数和曲率半径计算当前时刻管道振动的弯曲应力σb;
S4、通过位移传感器20获取任一所述测量点的实时振动位移值(u11,u12……u1n)及其出现的频率信息(k1,k2……kn),计算振动位移值(u11,u12……u1n)对应的弯曲应力(σb1,σb2……σbn),根据疲劳曲线(S-N曲线)获取弯曲应力(σb1,σb2……σbn)对应的许可次数(N1,N2……Nn),采用Miner线性累计理论计算管道振动的线性累计损伤D:并计算管道的剩余寿命T:完成疲劳寿命评估。
本实施例中,位移传感器20为电涡流位移传感器,用于测量管道振动的振动位移值及其频率信息;位移传感器20还通过导线连接有数据收集器和分析计算机,数据收集器用于完成数据的采集和预处理,分析计算机用于完成数据的存储和相关的计算分析,从而实现振动应力测量和疲劳寿命评估的非接触式测量。
进一步地,在步骤S1中,以待测量管道10的中心轴向为X轴方向建立X-Y坐标系,确定坐标系原点O与待测量管道10的中心轴线之间的垂直距离Y0,所述测量点的水平位置信息根据所述测量点在X-Y坐标系中的横坐标值进行计算。
进一步地,在步骤S2中,所述三个测量点包括间隔坐标原点O依次设置的第一测量点、第二测量点和第三测量点,其对应安装有第一位移传感器21、第二位移传感器22和第三位移传感器23;
所述三个测量点的水平位置信息包括坐标原点O与第一测量点之间的水平距离X0、所述第一测量点与第二测量点之间的水平距离X1,以及所述第三测量点与第二测量点之间的水平距离X2。
进一步地,步骤S2具体包括:
S21、将管道振动的变形等效为弧形,其半径为曲率半径R,根据直角三角形勾股定理可知:
(X0)2+(-u1+Y0)2=R2 (1)
(X1+X0)2+(-u2+Y0)2=R2 (2)
(X2+X0)2+(-u3+Y0)2=R2 (3)
联合求解公式(1)、(2)和(3),可得:
S22、因X1、X2、u1、u2和u3均为已知值,将其入公式(4)和(5)中计算可得X0和Y0,再将X0和Y0代入公式(1)中计算可得管道振动变形的所述曲率半径R。
进一步地,步骤S3中,所述结构参数包括待测量管道10的杨氏模量E、截面惯性矩I、管道内径d和管道外径D。
步骤S3具体包括:
S31、基于梁理论计算公式计算管道振动的弯曲应力σb:
公式(6)中,M为管道振动的弯曲力矩;Z为截面模量;
S32、使用管道内径d和管道外径D导出截面惯性矩I与截面模量Z的比率:
S33、将截面惯性矩I与截面模量Z的比率代入梁理论计算公式计算获取管道振动的弯曲应力σb,即将公式(7)代入公式(6)可得管道振动的弯曲应力σb:
公式(8)中,R为管道振动的曲率半径;E为杨氏模量;D为管道外径。
进一步地,步骤S31中,基于梁理论计算公式,管道在发生振动时产生的曲率和弯曲应力分别可表示为:
联合求解公式(9)和(10)可得公式(6)。
进一步地,步骤S4中,通过任一所述测量点上的位移传感器采集的振动位移值及其频率信息即可计算管道振动的线性累计损伤,其余测量点上的位移传感器采集的数据可用于对该位移传感器的数据进行修正。
综上所述,本实施例提供的一种小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法,具有以下有益效果:
(1)通过位移传感器采用非接触式方式测量管道振动的振动位移值和频率信息,解决了靠近管道存在的高辐照、高温度及检修难度大的问题,同时不增加其他载荷,也能满足特殊工作环境的要求;
(2)将管道的振动变形近似等效为弧形,并基于勾股定理和梁理论计算公式实现了管道振动弯曲应力的快速计算,提高计算效率;
(3)基于Miner线性累计理论实现了管道振动的线性累计损伤和管道剩余寿命的快速计算。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种核电厂小型管道振动应力测量及疲劳寿命评估方法,其特征在于,包括步骤:
S1、在待测量管道上安装多个沿其轴向间隔设置的位移传感器,每一所述位移传感器作为一个测量点,记录所述测量点的水平位置信息;
所述步骤S1中,以所述待测量管道的中心轴线为X轴方向建立X-Y坐标系,确定坐标系原点与待测量管道的中心轴线之间的垂直距离Y0,所述测量点的水平位置信息根据所述测量点在X-Y坐标系中的横坐标值计算;
S2、以每相邻的三个所述测量点为一组,通过所述位移传感器获取三个测量点在当前时刻的振动位移值(u1、u2、u3),并采用勾股定理根据三个所述测量点的水平位置信息计算当前时刻管道振动变形的曲率半径R;
所述步骤S2中,所述三个测量点包括间隔所述坐标系原点依次设置的第一测量点、第二测量点和第三测量点;所述三个测量点的水平位置信息包括所述坐标系原点与第一测量点之间的水平距离X0、所述第一测量点与第二测量点之间的水平距离X1,以及所述第三测量点与第二测量点之间的水平距离X2;
所述步骤S2具体包括:
S21、将管道振动的变形等效为弧形,其半径为所述曲率半径R,根据直角三角形勾股定理可知:
(X0)2+(-u1+Y0)2=R2 (1)
(X1+X0)2+(-u2+Y0)2=R2 (2)
(X2+X0)2+(-u3+Y0)2=R2 (3)
联合求解公式(1)、(2)、(3),可得:
S22、将已知值X1、X2、u1、u2和u3代入公式(4)和(5)中计算可得X0和Y0,再将X0和Y0代入公式(1)中计算可得管道振动变形的所述曲率半径R;
S3、获取待测量管道的结构参数,并根据所述结构参数和曲率半径R计算当前时刻管道振动的弯曲应力σb;
2.根据权利要求1所述的振动应力测量及疲劳寿命评估方法,其特征在于,所述位移传感器为电涡流位移传感器。
3.根据权利要求1所述的振动应力测量及疲劳寿命评估方法,其特征在于,所述结构参数包括待测量管道的杨氏模量E、截面惯性矩I、管道内径d和管道外径D。
4.根据权利要求3所述的振动应力测量及疲劳寿命评估方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括:
S31、使用管道内径d和管道外径D导出截面惯性矩I与截面模量Z的比率;
S32、将所述截面惯性矩I与截面模量Z的比率代入梁理论计算公式计算获取管道振动的弯曲应力σb。
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