CN113190927A - 一种蒸汽发生器u型传热管流弹激励磨损分析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于公开一种蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法，与现有技术相比，将流体弹性刚度引入到传热管磨损分析中，能够在流速接近但未达到流弹性失稳时，较为准确的预测传热管的磨损情况，在设计阶段及运行服务阶段用于蒸汽发生器设计及寿命管理，实现本发明的目的。

Description

一种蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法

技术领域

本发明涉及一种磨损分析计算方法，特别涉及一种蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法。

背景技术

流致振动和磨损是核电站蒸汽发生器传热管失效的主要因素。在设计阶段，准确预测蒸汽发生器传热管在寿期内的流致振动和磨损情况非常重要，是保证蒸汽发生器寿期内正常工作的重要保障。对于三代核电站蒸汽发生器而言，蒸汽发生器传热管的设计寿命应该与设备本身同寿，即60年。

在传统计算分析中，对于两相流中的管束流弹失稳问题已有大量研究，其中以H.J.Connors在相关领域的工作最有代表性(Fluid-elastic vibration of tube arraysexcited by cross-flow.Flow Induced Vibration of Heat Exchangers,pages 42-56,1970)，该论文给出了直管在流弹失稳的一般分析方法。对于管束中的一根管而言，在Connors公式的运用上需要一些改进，这在ASME规范附录N中有具体介绍。而在传热管磨损预测中，采用了流弹失稳系数作为输入，一般认为在未出现流弹失稳时，传热管的磨损可忽略不计。

在实际电站运行经验中发现，部分传热管在流速接近但未达到流弹失稳流速时，传热管出现了较为明显的磨损现象。说明传统磨损预测方法不能准确预测磨损现象的发生。

因此，特别需要一种蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法，以解决上述现有存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法，针对现有技术的不足，将传热管流致振动和微动磨损的计算分析耦合起来，判断考虑管壁减薄抗振条支撑变弱条件下是否会出现流弹失稳现象。同时能够预测流致振动情况变化条件下长时间内的传热管磨损情况。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)支撑刚度测定试验：

通过支撑刚度测定试验，在不同的间隙或夹持力条件下，测定其结构频率，通过数值拟合，获得其接触条件和支撑刚度K的函数关系，并以此作为后续磨损分析模型的边界条件；

(2)流体弹性刚度计算：

采用以下公式计算流体弹性刚度，

其中，D为传热管直径，L为传热管无支撑跨距，ξ为流体载荷系数，ρ为流体密度，v₀为L范围内的模态加权管间流速，δ为传热管与抗振条或支撑板的间隙；

(3)传热管随机激励分析和传热管磨损分析：

采用流体功率谱密度，对传热管结构开展随机激励分析，在支撑板和传热管接触点、抗振条和传热管接触点上设置弹簧边界条件，弹簧刚度为K-K’；计算获得支撑点的支撑反力和支撑点的相对位移的RSM值；根据Archard公式计算磨损。

本发明的蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法，与现有技术相比，将流体弹性刚度引入到传热管磨损分析中，能够在流速接近但未达到流弹性失稳时，较为准确的预测传热管的磨损情况，在设计阶段及运行服务阶段用于蒸汽发生器设计及寿命管理，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法的流程示意图；

图2为本发明的U型传热管有限元分析模型的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1和图2所示，本发明的蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法，包括支撑刚度测定试验、流体弹性刚度计算、传热管随机激励分析和传热管磨损分析四个部分，分析流程如图1所示。

支撑刚度测定试验：

在传统分析中，一般认为抗振条和支撑板对传热管的支撑条件可近似假设为简支边界条件。但实际结构中，抗振条、支撑板与传热管之间存在设计间隙和装配公差，使得其实际接触提供的边界条件弱于简支边界条件。可以通过支撑刚度测定试验，在不同的间隙或夹持力条件下，测定其结构频率。通过数值拟合，获得其接触条件和支撑刚度K的函数关系。并以此作为后续磨损分析模型的边界条件。

流体弹性刚度计算：

采用以下公式计算流体弹性刚度，

其中，D为传热管直径，L为传热管无支撑跨距，ξ为流体载荷系数，ρ为流体密度，v₀为L范围内的模态加权管间流速，δ为传热管与抗振条或支撑板的间隙。

传热管随机激励分析和传热管磨损分析：

采用流体功率谱密度，对传热管结构开展随机激励分析，在支撑板和传热管接触点、抗振条和传热管接触点上设置弹簧边界条件，弹簧刚度为K-K’。计算获得支撑点的支撑反力和支撑点的相对位移的RSM值。根据Archard公式计算磨损。

实施例：

在核电厂蒸汽发生器中，一般有几千根至上万根的传热管。针对其中任意一根传热管，建立如图2所示的有限元模型。其中传热管与管板连接处简化为固支边界条件；与支撑板接触处简化为支撑板接触弹簧边界条件；与抗振条接触处简化为抗振条接触弹簧边界条件。弹簧边界条件的刚度设置为K-K’，其中K由结构决定，K’由流场参数决定。采用流体功率谱密度，对传热管结构开展随机激励分析，计算获得支撑点的支撑反力和支撑点的相对位移的RSM值。根据Archard公式计算磨损。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种蒸汽发生器U型传热管流弹激励磨损分析计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)支撑刚度测定试验：

通过支撑刚度测定试验，在不同的间隙或夹持力条件下，测定其结构频率，通过数值拟合，获得其接触条件和支撑刚度K的函数关系，并以此作为后续磨损分析模型的边界条件；

(2)流体弹性刚度计算：

采用以下公式计算流体弹性刚度，

其中，D为传热管直径，L为传热管无支撑跨距，ξ为流体载荷系数，ρ为流体密度，v₀为L范围内的模态加权管间流速，δ为传热管与抗振条或支撑板的间隙；

(3)传热管随机激励分析和传热管磨损分析：

采用流体功率谱密度，对传热管结构开展随机激励分析，在支撑板和传热管接触点、抗振条和传热管接触点上设置弹簧边界条件，弹簧刚度为K-K’；计算获得支撑点的支撑反力和支撑点的相对位移的RSM值；根据Archard公式计算磨损。

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