CN113297770A - 核电厂压力管道泄漏参数获取方法及泄漏模型和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核电厂压力管道泄漏参数获取方法及泄漏模型、应用，获取方法包括以下步骤：S1、获取压力管道的裂纹参数：分别获取裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线、对比分析裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线，获得不同压力下管道预制裂纹的尺寸；S2、获取微孔直径尺寸：基于三维仿真软件构建具有不同微孔直径尺寸的压力管道，并获得不同直径尺寸下对应的泄漏量，建立在特定压力下的水泄漏“泄漏量‑孔径”关系曲线。通过该方法能获取裂纹参数和微孔直径尺寸，基于裂纹参数和微孔直径尺寸制备出能够模拟各种泄漏情况的试验管道，将试验管道用于后续开展压力管道泄漏试验，建立核电厂压力管道泄漏定位定量模型提供依据。

Description

核电厂压力管道泄漏参数获取方法及泄漏模型和应用

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及核电厂压力管道泄漏参数获取方法及泄漏模型、应用。

背景技术

核反应堆压力管道是封闭放射性物质和防止核辐射扩散的主要屏障，核电厂压力管道长期作用在高温高压辐射环境下，易受到晶间应力腐蚀和金属点腐蚀，进而发展成裂纹和孔隙，因此，核电厂压力管道泄漏的形式通常为孔口泄漏和裂纹泄漏，造成严重的放射性污染，通过对核电站压力管道的早期泄漏进行监测可以加强电站运行的安全与经济性，而要进行压力管道泄漏监测首先要确定核电厂压力管道的泄漏模式，再对每种泄漏模式进行模拟，从而为开展压力管道泄漏试验，建立压力管道泄漏定位定量模型提供依据。

目前国内针对管道泄漏形式的模拟研究通常采用三种方法：一是通过仿真模型模拟管道的泄漏情况，该方法仅仅停留在理论研究阶段，并未与工程实际相结合，二是在常温常压环境下，采用在试验管道上安装阀门的方法，通过阀门的开启模拟泄漏情况，该方法未能真实地模拟核电厂压力管道泄漏情况，三是在试验管道上制作圆孔，模拟管道圆孔泄漏，该方法仅仅停留在定性研究，并未开展圆孔泄漏与泄漏率的关系研究，不能满足核电厂压力管道泄漏定位与定量的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供核电厂压力管道泄漏参数获取方法，通过该方法能获取裂纹参数和微孔直径尺寸，基于裂纹参数和微孔直径尺寸制备出能够模拟各种泄漏情况的试验管道，将试验管道用于后续开展压力管道泄漏试验，建立核电厂压力管道泄漏定位定量模型提供依据。

此外，本发明还提供采用上述核电厂压力管道泄漏模式模拟方法构建的泄漏模型以及该模型的应用。

本发明通过下述技术方案实现：

核电厂压力管道泄漏参数获取方法，包括以下步骤：

S1、获取压力管道的裂纹参数：

S11、基于压力管道的材料特性获得管材的裂纹扩展阻力曲线；

S12、基于管道断裂过程的有限元分析，获得不同内压下管道的裂纹扩展驱动力曲线；

S13、对比分析裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线，获得管道裂纹的启裂、压临界扩展和失稳扩展的对应压力，获得不同压力下管道预制裂纹的尺寸；

S2、获取微孔直径尺寸：

基于三维仿真软件构建具有不同微孔直径尺寸的压力管道，并获得不同直径尺寸下对应的泄漏量，建立在特定压力下的水泄漏“流量-直径”关系曲线，该“流量-直径”关系曲线用于查找任意泄漏量下对应的微孔直径尺寸。

通过本发明方法能获取裂纹参数和微孔直径尺寸，基于裂纹参数和微孔直径尺寸制备出能够模拟各种泄漏情况的试验管道，将试验管道用于后续开展压力管道泄漏试验，建立核电厂压力管道泄漏定位定量模型提供依据。

通过该方法制备的试验管道与通过仿真模型模拟管道的泄漏情况相比，更加真实可靠，且圆孔与泄漏率之间存在定量关系。

进一步地，裂纹扩展阻力曲线的具体获取过程如下：

根据核反应堆压力管道的材料和尺寸，确定模拟管道的材料和尺寸，并对已经选定的试验管道进行断裂韧性测试，获得材料的裂纹扩展阻力曲线。

进一步地，裂纹扩展驱动力曲线的获取过程如下：

对模拟管道进行拉伸性能测试，获得有限元计算所需材料性能数据，所述材料性能数据包括材料屈服强度和材料抗拉强度；使用ABAQUS软件进行有限元分析，获得不同压力下管道的裂纹扩展驱动力曲线。

用于核电厂压力管道泄漏参数获取方法的数据处理装置，其特征在于，包括第一数据采集单元、第二数据采集单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、处理中心和数据存储单元；

第一数据采集单元用于采集并存储压力管道的材料特性，第一数据处理单元调用第一数据采集单元内的数据并进行分析获得裂纹扩展阻力曲线；

第二数据采集单元用于采集并存储管道断裂过程的材料性能数据，第二数据处理单元调用第二数据采集单元内的数据并进行分析获得裂纹扩展驱动力曲线；

处理中心调用裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线进行对比分析，获得管道裂纹的启裂、压临界扩展和失稳扩展的对应压力，并计算不同压力下管道预制裂纹的尺寸；

数据存储单元用于存储不同压力下管道预制裂纹的尺寸，以及流量-直径”关系曲线。

基于核电厂压力管道泄漏参数获取方法构建的泄漏模型。

进一步地，泄漏模型包括裂纹管道和微孔管道，所述裂纹管道为基于裂纹参数在用于模拟泄漏的压力管道上进行裂纹制作获得，所述微孔管道为基于微孔直径尺寸在用于模拟泄漏的压力管道上进行微孔制作获得。

在不同管道上制作裂纹和微孔，不同管道的尺寸参数(壁厚和外径)相同。

进一步地，裂纹管道的具体制作过程如下：

根据裂纹预制设备的加工参数以及裂纹参数，确定预制裂纹尺寸及疲劳裂纹尺寸；然后开展疲劳裂纹预制试验，进行疲劳加载，使裂纹在循环应力的作用下发生扩展，直至贯穿。

进一步地，裂纹管道的具体制作过程如下：

基于泄漏量对应的微孔直径尺寸，采用电火花加工在管壁上制作不同直径的穿透圆孔。

泄漏模型用于核电厂压力管道泄漏模拟试验。

核电厂压力管道泄漏模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、采用上述获取方法获取待试验压力管道的裂纹参数和微孔直径尺寸；

步骤二、基于步骤以获得的裂纹参数和微孔直径尺寸制作裂纹管道和微孔管道；

步骤三、将步骤而制备的裂纹管道和微孔管道用于开展压力管道泄漏模拟试验。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过计算预制裂纹和微孔的尺寸信息，并根据计算结果在管道上制作出疲劳裂纹和穿透微孔，可模拟出核反应堆压力管道的裂纹从萌生、发展直至贯穿的过程。

2、本发明根据制作出来的管道穿透裂纹和微孔，可模拟出在反应堆额定运行的温度和压力下，不同形状和尺寸的管道穿透裂纹，在不同的泄漏率下对应的声发射信号大小，进而获得泄漏率与声发射信号的关系，建立定位定量模型。

附图说明

图1为泄漏量-孔径关系曲线图；

图2为缺陷深度为0.5倍壁厚的试样载荷—缺陷张开角(CMOD)关系曲线图；

图3为缺陷深度为0.5倍壁厚的裂纹扩展阻力曲线图；

图4为缺陷深度为0.5倍壁厚裂纹尖端驱动力曲线图。

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：

核电厂压力管道泄漏参数获取方法，包括以下步骤：

S1、获取压力管道的裂纹参数：

S11、根据核反应堆压力管道的材料和尺寸，确定模拟管道的材料和尺寸，并对已经选定的试验管道进行断裂韧性测试(SENB/SENT，MTS试验机)，获得材料的裂纹扩展阻力曲线；

S12、进行拉伸性能测试，获得材料屈服强度、抗拉强度等有限元计算所需材料性能数据；基于管道断裂过程的有限元分析，获得不同内压下管道的裂纹扩展驱动力曲线；

S13、对比分析裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线，获得管道裂纹的启裂、压临界扩展和失稳扩展的对应压力，估算不同压力下管道预制裂纹的尺寸；

具体估算过程如下：

取相同压力下不同缺陷尺寸管道的CTOD值，可以绘制裂纹扩展的等压力线。并将其与裂纹扩展阻力曲线对比，可以获得管道起裂的临界条件，从而获得不同压力下管道预制裂纹的尺寸

S2、获取微孔直径尺寸：

主要应用三维计算流体动力学(CFD)精确仿真分析软件(ICEM、CFX、HPC)来实现核反应堆压力管道不同泄漏率对应的裂纹尺寸：

1)、首先建立三维的仿真测试几何模型，并基于此几何模型，进行网格敏感性测试、高速射流(跨音速)模型测试、真实水物性数据模型测试、水汽化两相流模型测试、微孔管壁粗糙度模型测试，获得合适的计算方法和收敛路径；

2)、基于测试成功后的计算模型，建立一系列直径尺寸的管道穿透微孔三维几何模型，并分别生成高质量的全六面体网格，批处理计算获得不同直径尺寸下的泄漏量，以泄漏量为自变量、孔径为因变量，捏合得到“泄漏量-孔径”关系曲线，如图1所示；进而可以根据需要提取出任意泄漏量下的微孔直径尺寸。

通过本实施例所述获取方法获取的裂纹参数和微孔直径尺寸能够制作用于模拟压力管道泄漏的泄漏模型(管道穿透裂纹和微孔制作)：

1)、裂纹制作：根据步骤S1的计算结果获得预制裂纹的尺寸以及裂纹预制设备的加工参数(EDM加工、疲劳加载机参数)，确定EDM预制裂纹尺寸及疲劳裂纹尺寸，用电火花加工在管道内壁上制作一个凹槽，利用材料试验机对预制好凹槽的管道进行疲劳加载，使得凹槽在循环应力的作用下发生扩展，直至贯穿。

2)、微孔制作：基于步骤S2的计算结果，采用电火花加工在管壁上制作不同直径的穿透圆孔。

以试验样件缺陷深度取0.5倍壁厚为例，对样件开展断裂韧性测试(单边缺口拉伸试验SENT，双引伸计法)，并获得了管道裂纹扩展抗力关系，如图2所示，根据试样载荷—(CMOD)关系以及材料参数等信息绘制了管材的裂纹扩展阻力曲线，如图3所示；根据不同缺陷深度模型的裂尖位移与内压关系，可以绘制出裂纹的驱动力曲线，如图4所示。

实施例2：

一种用于实施例1所述核电厂压力管道泄漏参数获取方法的数据处理装置，包括第一数据采集单元、第二数据采集单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、处理中心和数据存储单元；

第一数据采集单元用于采集并存储压力管道的材料特性，第一数据处理单元调用第一数据采集单元内的数据并进行分析获得裂纹扩展阻力曲线；

第二数据采集单元用于采集并存储管道断裂过程的材料性能数据，第二数据处理单元调用第二数据采集单元内的数据并进行分析获得裂纹扩展驱动力曲线；

处理中心调用裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线进行对比分析，获得管道裂纹的启裂、压临界扩展和失稳扩展的对应压力，并计算不同压力下管道预制裂纹的尺寸；

数据存储单元用于存储不同压力下管道预制裂纹的尺寸，以及“泄漏量-孔径”关系曲线。

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 (10)

1.核电厂压力管道泄漏参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取压力管道的裂纹参数：

S11、基于压力管道的材料特性获得管材的裂纹扩展阻力曲线；

S12、基于管道断裂过程的有限元分析，获得不同内压下管道的裂纹扩展驱动力曲线；

S13、对比分析裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线，获得管道裂纹的启裂、压临界扩展和失稳扩展的对应压力，获得不同压力下管道预制裂纹的尺寸；

S2、获取微孔直径尺寸：

基于三维仿真软件构建具有不同微孔直径尺寸的压力管道，并获得不同直径尺寸下对应的泄漏量，建立在特定压力下的水泄漏“流量-直径”关系曲线，该“流量-直径”关系曲线用于查找任意泄漏量下对应的微孔直径尺寸。

2.根据权利要求1所述的核电厂压力管道泄漏参数获取方法，其特征在于，所述裂纹扩展阻力曲线的具体获取过程如下：

根据核反应堆压力管道的材料和尺寸，确定模拟管道的材料和尺寸，并对已经选定的试验管道进行断裂韧性测试，获得材料的裂纹扩展阻力曲线。

3.根据权利要求1所述的核电厂压力管道泄漏参数获取方法，其特征在于，所述裂纹扩展驱动力曲线的获取过程如下：

对模拟管道进行拉伸性能测试，获得有限元计算所需材料性能数据，所述材料性能数据包括材料屈服强度和材料抗拉强度；使用ABAQUS软件进行有限元分析，获得不同压力下管道的裂纹扩展驱动力曲线。

4.用于权利要求1-3任一项所述的核电厂压力管道泄漏参数获取方法的数据处理装置，其特征在于，包括第一数据采集单元、第二数据采集单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、处理中心和数据存储单元；

第一数据采集单元用于采集并存储压力管道的材料特性，第一数据处理单元调用第一数据采集单元内的数据并进行分析获得裂纹扩展阻力曲线；

第二数据采集单元用于采集并存储管道断裂过程的材料性能数据，第二数据处理单元调用第二数据采集单元内的数据并进行分析获得裂纹扩展驱动力曲线；

处理中心调用裂纹扩展阻力曲线和裂纹扩展驱动力曲线进行对比分析，获得管道裂纹的启裂、压临界扩展和失稳扩展的对应压力，并计算不同压力下管道预制裂纹的尺寸；

数据存储单元用于存储不同压力下管道预制裂纹的尺寸，以及流量-直径”关系曲线。

5.基于权利要求1-3任一项所述的核电厂压力管道泄漏参数获取方法构建的泄漏模型。

6.根据权利要求5所述的泄漏模型，其特征在于，所述泄漏模型包括裂纹管道和微孔管道，所述裂纹管道为基于裂纹参数在用于模拟泄漏的压力管道上进行裂纹制作获得，所述微孔管道为基于微孔直径尺寸在用于模拟泄漏的压力管道上进行微孔制作获得。

7.根据权利要求6所述的泄漏模型，其特征在于，所述裂纹管道的具体制作过程如下：

根据裂纹预制设备的加工参数以及裂纹参数，确定预制裂纹尺寸及疲劳裂纹尺寸；然后开展疲劳裂纹预制试验，进行疲劳加载，使裂纹在循环应力的作用下发生扩展，直至贯穿。

8.根据权利要求6所述的泄漏模型，其特征在于，所述裂纹管道的具体制作过程如下：

基于泄漏量对应的微孔直径尺寸，采用电火花加工在管壁上制作不同直径的穿透圆孔。

9.如权利要求5-8任一项所述的泄漏模型用于核电厂压力管道泄漏模拟试验。

10.核电厂压力管道泄漏模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用如权利要求1的获取方法获取待试验压力管道的裂纹参数和微孔直径尺寸；

步骤二、基于步骤以获得的裂纹参数和微孔直径尺寸制作裂纹管道和微孔管道；

步骤三、将步骤二制备的裂纹管道和微孔管道用于开展压力管道泄漏模拟试验。

Images