CN113865901B - 一种管道模拟实验装置及温度场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道模拟装置及温度场测量方法，管道模拟装置包括管道、位于管道内部的支杆，支杆的两端分别与管道内壁固定连接，支杆上开设有多个固定孔，管道上开设有通孔组，每组通孔组包括沿管道的周向方向均匀间隔开设的多个通孔，通孔沿管道的壁厚方向贯穿管壁，每个固定孔及通孔均用于供测温元件贯穿，管道上对应通孔组设置有密封组件，密封组件用于密封通孔。本发明的管道模拟装置通过将该装置与测温元件相结合，实现了管道内高温高压流体的温度测量以及管道内外壁的温度测量，并对管道进行了密封，使得测得的温度场数据更准确，有利于精准预测管道的热分层及热冲击情况，为核电厂的危险性分析和运行状态分析提供有价值的参考依据。

Description

一种管道模拟实验装置及温度场测量方法

技术领域

本发明属于核电技术领域，具体涉及一种管道模拟实验装置以及利用该管道模拟实验装置测量管道的温度场的方法。

背景技术

先进核能装备综合模拟实验平台，能1:1模拟核电站一回路的压力与温度运行参数；能1:1模拟一回路启动、升功率、满功率、降功率、热停堆、冷停堆等运行工况；能1:1模拟各工况下波动管的波进波出流量，并实现精确测量。其中，稳压波动管存在于稳压器和主回路管道之间，起到控制系统压力的作用，属于核电站中重要的核安全一级管道。

当稳压波动管内流动高温高压的流体时，对管道的内壁、外壁及管内高温高压流体的温度的精准测量是实现模拟实验平台强大功能的关键技术；同时，如何在测量温度场的同时对稳压波动管进行密封避免流体泄漏也是极具挑战的。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种管道模拟实验装置及温度场测量方法，用于解决现有技术中无法测试高温高压条件下的稳压波动管内外壁的温度及管内流体温度，以及无法在这种高强度条件下密封管道的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一方面，本发明了提供了一种管道模拟实验装置，包括管道、位于所述管道内部的支杆，所述支杆的两端分别与所述管道的内壁固定连接，所述支杆上开设有多个固定孔，所述管道上开设有通孔组，每组所述通孔组包括沿所述管道的周向方向均匀间隔开设的多个通孔，所述通孔沿所述管道的壁厚方向贯穿所述管道的管壁，每个所述固定孔及通孔均用于供测温元件贯穿，所述管道上对应所述通孔组设置有密封组件，所述密封组件用于密封所述通孔。

本发明提供的管道模拟实验装置，能1:1模拟核电厂一回路的波动管，将其配合一回路试验台架使用，通过试验台架模拟出核电厂的各种工况，并将各种工况作用于该管道模拟实验装置。通过在管道内设置开设有固定孔的支杆，在管壁上开设对应的通孔，为利用测温元件测量管道的内壁、外壁及内部流体的温度提供对应的测试通路，有利于收集到准确的温度数据；通过在每个通孔处设置密封部，实现了对高温高压条件下的管道的密封。利用该管道模拟试验装置，能够准确测量相应工况下管道内高温高压流体的温度以及管道的内外壁的温度，有利于精准预测波动管的热分层、热冲击情况，为核电厂的危险性分析和运行状态分析提供有价值的参考依据。

根据本发明的一些优选实施方面，所述密封组件包括对应所述通孔设置的多个密封部，每个所述密封部均包括底座及固定环；所述底座内开设有空腔，所述固定环容纳于所述空腔中，所述固定环的外壁与所述底座的内壁贴合，所述固定环的长度小于所述空腔的深度。通孔的开设方向与管壁的厚度方向相同，通孔的设置是为了便于让测量管道内壁温度及管内流体温度的测温元件从管内向管外穿出，在管道外部方便与测试设备连接。每组密封组件中的多个密封部沿着管道的周向方向均匀间隔地排布，每个密封部对应一个通孔，用于密封通孔，防止管道发生泄漏。固定环容纳于底座的空腔中且二者之间严密贴合，不留缝隙，保证其具有良好的密封性。

根据本发明的一些优选实施方面，所述密封部包括与所述底座连接的紧固件，所述紧固件的内部开设有贯穿其长度方向的通槽，所述紧固件用于压紧所述固定环；所述紧固件包括压紧部和连接部，所述压紧部与所述固定环的总高度大于所述空腔的深度；所述连接部的外径大于所述底座的内径。所述通孔与所述固定环及通槽相贯通，所述通槽的直径及所述固定环的内径等于或大于所述通孔的直径，所述测温元件的直径小于或等于所述通孔的直径。在本发明的一些实施例中，底座的内壁设置有内螺纹，紧固件的压紧部的外壁设置有外螺纹，当固定环容纳于底座的空腔中且固定环的外壁与底座的内壁贴合时，压紧部与底座之间螺纹连接，通过不断旋转连接部，使压紧部的底部与固定环的顶部接触并压紧固定环，实现对通孔的密封。压紧部与固定环的总高度大于空腔的深度，保证紧固件插入空腔中之后压紧部能够与固定环接触，通过转动连接部使压紧部不断深入空腔中进而压紧固定环。连接部的外径大于底座的内径，一方面，连接部位于空腔外部，便于利用工具转动连接部带动整个紧固件转动以使压紧部深入空腔中；另一方面，连接部能够对底座上端的开口进行密封。

进一步地，固定环优选为碳环，碳环具有一定的可变形性，当旋转紧固件挤压固定环时，固定环会发生一定的形变进而堵住通孔位于管道外壁上的开口，且紧固件始终压紧固定环，保证管道的密封性。固定环的长度小于空腔的深度，便于在通槽中设置紧固件，并为旋转紧固件使其与底座螺纹连接提供有效的移动距离。紧固件内部开设通槽，使得通孔与固定环及通槽相贯通，且与通孔的位置对应，便于测温元件从管道内部沿通孔、固定环及通槽延伸到管道外部。在本发明的一些实施例中，通槽及固定环的内径均等于通孔的直径，测温元件的直径等于通孔的直径。保证在测试过程中测温元件不会在通孔或密封部中发生晃动，导致测试结果不准确。

根据本发明的一些优选实施方面，所述管道的外壁上开设有凹槽，所述底座及固定环的下端部容纳于所述凹槽中并与所述管道的管壁固定连接，所述凹槽的深度小于所述管道的壁厚。在本发明的一些实施例中，底座与管道的管壁之间通过焊接的方式固定连接，由于管道的外壁为曲面，凹槽的开设便于整个密封部放置在管道的管壁上。将底座放在凹槽中，底座的底面与凹槽的底面贴合，再将底座的下端部与管壁焊接，有利于加强二者之间连接的牢固性；凹槽无需贯穿管壁，其深度约为底座长度的三分之一即可。

根据本发明的一些优选实施方面，包括至少两个所述支杆，所述支杆沿竖直方向设置，所述支杆对称设置在所述管道的同一个径向(横)截面上，所述支杆上的多个所述固定孔一一对应设置且位于相同的水平高度，所述支杆的长度小于所述管道的内径。支杆竖直设置是为了测量不同水平高度的流体的温度，在本发明的一些实施例中，设置有两个支杆，两个支杆位于管道的同一个径向(横)截面上，每个支杆上分别均匀间隔地开设有十个固定孔，每个固定孔的开设方向均与管道的轴向方向相同，且每根支杆上的所有固定孔的轴心线位于同一平面内，保证测温元件与固定孔固定连接后每个支杆上的多个测温元件能够在同一竖直方向上的不同高度处测量流体温度，避免测量误差。其中，两个支杆上的固定孔一一对应，每两个固定孔位于相同的水平高度。由于工况特点，管道里的流体可能会发生湍流，导致管道内同样深度的左右两侧的流体温度不一样，支杆的设置有利于在管道的同一径向(横)截面上同时测量到该截面的同一水平高度上的左右两侧的流体的温度，以得到更准确的温度数据，有利于对整个管道的热分层及热冲击情况进行合理的预测。

根据本发明的一些优选实施方面，所述管道上设置有多组所述通孔组，多组所述通孔组包括第一通孔组，所述测温元件包括用于测量所述管道内壁温度的第一测温元件及用于测量所述管道外壁温度的第二测温元件；所述第一测温元件对应所述第一通孔组中的通孔设置，所述第二测温元件位于所述第一通孔组内相邻的通孔之间。第一测温元件贯穿第一通孔组中的通孔及对应的密封部，每个第一测温元件的感温端焊接在管道的内壁上，其另一端位于管道的外部，并在管外与测温设备连接；第一通孔组的每相邻两个通孔之间的中心点设置有第二测温元件，每个第二测温元件的感温端焊接在管道的外壁上，即每个第二测温元件到第一通孔组内的相邻两个通孔之间的距离相等。此外，第一测温元件和第二测温元件位于管道的同一个周向上，保证在管道的同一个径向(横)截面上同时测量其内壁和外壁温度，使测得的数据更准确，对管道的运行状态分析更具有指导意义。将第一测温元件及第二测温元件与管道的内壁及外壁焊接之后，再通过对焊接点进行打磨，然后修平，确保感温端分别与内壁及外壁之间导热良好。在本发明的一些实施例中，测温元件优选为热偶。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第二通孔组和第三通孔组中的所述通孔的总数量等于所述支杆上所述固定孔的总数量；所述第一通孔组、第二通孔组及第三通孔组中的多个所述通孔之间交错排列。在本发明的一些实施例中，沿管道的轴向方向共设置有三组通孔组。其中，第一通孔组中包括二十个通孔，第二通孔组及第三通孔组分别包括十个通孔。并且，第二通孔组中的十个通孔与第三通孔组中的十个通孔交错排列，第二通孔组与第三通孔组中的共计二十个通孔均与第一通孔组中的二十个通孔交错排列。具体为，第二通孔组的十个通孔及第三通孔组中的十个通孔分别与第一通孔组中的每相邻两个通孔之间的第一测温元件与外壁的焊接点对齐且均匀间隔，即在管道的同一轴向方向上只有一个通孔。由于管道内的流体是高温高压，若在管道的同一轴向方向上开设多个通孔会对管道的强度造成损失，所有通孔之间交叉错开排布有利于减少管道强度损失。

根据本发明的一些优选实施方面，所述管道内壁设置有两个所述支杆，所述测温元件包括用于测量所述管道内部流体的第三测温元件及第四测温元件，所述第三测温元件及第四测温元件的感温端分别贯穿两个所述支杆上的所述固定孔；部分所述第三测温元件对应所述第二通孔组中的所述通孔设置，剩余部分所述第三测温元件对应所述第三通孔组中的所述通孔设置；部分所述第四测温元件对应所述第二通孔组中的剩余所述通孔设置，剩余部分所述第四测温元件对应所述第三通孔组中的剩余所述通孔设置。第三测温元件及第四测温元件分别贯穿其中一个支杆上的十个固定孔，第三测温元件及第四测温元件的感温端均位于管道内部且向固定孔外延伸一段距离。在本发明的一些实施例中，根据通孔的实际排布情况，以第一通孔组中位于管道竖直方向的外径与管道外壁的交点处的通孔为中心，第二通孔组及第三通孔组中每组分别有五个通孔与其中一个支杆位于同一侧，焊接在其中一个支杆上的十个第三测温元件的引出端分别从与其位于同一侧的第二通孔组中的五个通孔及第三通孔组中的五个通孔及对应的密封部向管道外部穿出，焊接在另一侧的剩余一个支杆上的十个第四测温元件的引出端分别从与其位于同一侧的第二通孔组中的剩余五个通孔及第三通孔组中的剩余五个通孔及对应的密封部向管道外部穿出，并在管道外部与测温设备连接。这样的连接方式避免第三测温元件与第四测温元件在向外引出时相互缠绕。第三测温元件及第四测温元件与固定孔之间通过焊接固定，且与固定孔之间完全密封，避免流体穿过第三测温元件或第四测温元件与固定孔之间的缝隙，导致流体的流动状态产生异常，影响流体温度的测量。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一测温元件、第二测温元件、第三测温元件及第四测温元件的感温端均位于所述管道的同一径向(横)截面上。即在管道的同一径向(横)截面上分别测量管道的内壁、外壁及管内流体的温度，减少测试的变量。在本发明的一些实施例中，在管道的进口和出口处各设置一组该模拟实验装置，沿管道轴向方向，在管道的进口和出口之间均匀间隔地设置有多组该模拟实验装置，通过在管道的不同径向(横)截面上测试多组温度场数据，进一步对多组数据进行分析以预测管道内的热分层及热冲击情况。

另一方面，本发明还提供了一种利用如上所述的管道模拟实验装置测量管道温度场的方法，主要对管道的内壁、外壁以及管道内流体的温度进行测量。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：通过设置管道模拟实验装置，将该装置与测温元件相结合，实现了管道内高温高压流体的温度测量，以及在管内流动高温高压流体的情况下对管道的内外壁的温度测量，并对管道进行了密封，使得所测得的温度场数据更为准确，有利于精准预测管道的热分层及热冲击情况，为核电厂的危险性分析和运行状态分析提供有价值的参考依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中管道模拟装置第一视角的立体图；

图2为本发明优选实施例中管道模拟装置第二视角的立体图；

图3为本发明优选实施例中管道模拟装置的俯视图；

图4为本发明优选实施例中管道模拟装置的主视图；

图5为图3中A-A的剖视图；

图6为图3中B-B的剖视图；

图7为图5中C处的局部放大图；

图8为图2中管道模拟装置未焊接测温元件的立体图；

图9为本发明优选实施例中管道模拟装置未焊接测温元件的俯视图；

附图中：管道-1，通孔-11，第一通孔组-12，第二通孔组-13，第三通孔组-14，支杆-2，固定孔-21，密封部-3，底座-31，固定环-32，压紧部-33，连接部-34，第一测温元件-4，第二测温元件-5，第三测温元件-6。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1～9所示，本发明的一个实施例中，提供了一种管道模拟实验装置，包括管道1及位于管道1内部的沿竖直方向设置的两个支杆2，支杆2的两端分别焊接在管道1的内壁上，两个支杆2位于管道1的同一个径向(横)截面上。

如图4～5所示，两个支杆2上分别均匀间隔地开设有十个固定孔21，其中一个支杆2上的固定孔21与另一个支杆2上的固定孔21一一对应且位于相同的水平高度。每个固定孔21的开设方向与管道1的轴向方向相同。

如图8～9所示，管道1沿其轴向方向上开设有三组通孔组，包括第一通孔组12、第二通孔组13、第三通孔组14。其中，第一通孔组12中包括沿管道1的轴向方向均匀间隔地开设的二十个通孔11，第二通孔组13及第三通孔组14中分别包括沿管道1的轴向方向均匀间隔地开设的十个通孔11。每个通孔11均沿管道1的壁厚方向贯穿管壁。并且，第二通孔组13中的十个通孔11与第三通孔组14中的十个通孔11交错排列，第二通孔组13与第三通孔组14中的共计二十个通孔11均与第一通孔组12中的二十个通孔11交错排列。管道1上对应三组通孔组共设置有三组密封组件，用于密封通孔11。每组密封组件均包括对应每组通孔组中的通孔11设置的密封部3，每个密封部3均包括底座31、固定环32及用于压紧固定环32的紧固件，管道1的外壁上开设有凹槽，底座31及固定环32的下端部均容纳于凹槽中便于与管道1的管壁焊接，且凹槽的深度小于管道1的壁厚。此外，底座31的内部开设有用于容纳固定环32的空腔，固定环32的外壁与底座31的内壁贴合；紧固件的内部开设有贯穿其长度方向的通槽，通孔11与固定环32及通槽相贯通。紧固件包括压紧部33和连接部34，压紧部33与底座31的内壁之间螺纹连接，压紧部33与固定环32的总高度大于空腔的深度；连接部34的外径大于底座31的内径。本实施例中通槽的直径及固定环32的内径均等于通孔11的直径；固定环32的长度小于空腔的深度，为压紧部33提供容纳空间，通过紧固件的压紧部33的挤压作用，使固定环32产生轻微的变形，与通孔11位于管道1外壁的开口之间更贴合，固定环32完全将其覆盖，有利于加强通孔11的密封性。

本实施例中设置有多个测温元件，测温元件优选为热偶。其包括用于测量管道1内壁温度的二十个第一测温元件4、用于测量管道1外壁温度的二十个第二测温元件5、用于测量管道1内部的流体温度的十个第三测温元件6与十个第四测温元件7。其中，如图2～6所示，二十个第一测温元件4分别贯穿第一通孔组12中的二十个通孔11及对应的密封部3，每个第一测温元件4的感温端焊接在管道1的内壁上(焊接点即为对应的通孔11位于管道1内壁上的开口处)，其另一端从通孔11、固定环32及通槽中穿出并位于管道1外部；每个第二测温元件5的感温端5分别焊接在第一通孔组12的每相邻两个通孔11之间的中心点处的管道1的外壁上；每个第三测温元件6分别贯穿其中一个支杆2上的对应的固定孔21，第三测温元件6的感温端焊接在固定孔21上，其引出端经与其位于同侧的第二通孔组13中的五个通孔11、第三通孔组14中的五个通孔11及对应的密封部3穿出并位于管道1外部，每个第四测温元件7分别贯穿另一个支杆2上的对应的固定孔21，第四测温元件7的感温端焊接在固定孔21上，其引出端经与其位于同侧的第二通孔组13中的剩余五个通孔11、第三通孔组14中的剩余五个通孔11及对应的密封部3穿出并位于管道1外部。十个第三测温元件6及十个第四测温元件7的感温端均位于管道1的同一径向(横)截面上，且与二十个第一测温元件4与管道1内壁的焊接点所在的平面及二十个第二测温元件5与管道1外壁的焊接点所在的平面相同。所有的焊接处均进行打磨、修平，确保焊接处的导热良好，不影响测量结果的准确性。

实施例二：

本发明的一个实施例中，提供了一种利用如上所述的管道模拟实验装置测量管道1的温度场的方法。具体步骤为：将三组通孔组所对应的所有密封部3中的紧固件拧紧，转动连接部34使压紧部33不断深入空腔直至压紧固定环32，分别将二十个第一测温元件4、二十个第二测温元件5、十个第三测温元件6及十个第四测温元件7的引出端与测温设备连接，即可测量管道1的内壁温度、外壁温度及管道1内的流体温度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种管道模拟实验装置，其特征在于，包括管道、位于所述管道内部的支杆，所述支杆的两端分别与所述管道的内壁固定连接，所述支杆上开设有多个固定孔，所述管道上开设有通孔组，每组所述通孔组包括沿所述管道的周向方向均匀间隔开设的多个通孔，所述通孔沿所述管道的壁厚方向贯穿所述管道的管壁，每个所述固定孔及通孔均用于供测温元件贯穿，所述管道上对应所述通孔组设置有密封组件，所述密封组件用于密封所述通孔；所述管道上设置有多组所述通孔组，多组所述通孔组包括第一通孔组，所述测温元件包括用于测量所述管道内壁温度的第一测温元件及用于测量所述管道外壁温度的第二测温元件；所述第一测温元件对应所述第一通孔组中的通孔设置，所述第二测温元件位于所述第一通孔组内相邻的通孔之间；所述测温元件包括用于测量所述管道内部流体的第三测温元件及第四测温元件，所述第一测温元件、第二测温元件、第三测温元件及第四测温元件的感温端均位于所述管道的同一径向截面上。

2.根据权利要求1所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，所述密封组件包括对应所述通孔设置的多个密封部，每个所述密封部均包括底座及固定环；所述底座内开设有空腔，所述固定环容纳于所述空腔中，所述固定环的外壁与所述底座的内壁贴合，所述固定环的长度小于所述空腔的深度。

3.根据权利要求2所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，所述密封部包括与所述底座连接的紧固件，所述紧固件的内部开设有贯穿其长度方向的通槽，所述通孔及固定环与所述通槽相贯通，所述紧固件用于压紧所述固定环。

4.根据权利要求3所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，所述紧固件包括压紧部和连接部，所述压紧部与所述固定环的总高度大于所述空腔的深度；所述连接部的外径大于所述底座的内径。

5.根据权利要求3所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，所述通槽的直径及所述固定环的内径等于或大于所述通孔的直径，所述测温元件的直径小于或等于所述通孔的直径。

6.根据权利要求3所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，所述管道的外壁上开设有凹槽，所述底座及固定环的下端部容纳于所述凹槽中并与所述管道的管壁固定连接，所述凹槽的深度小于所述管道的壁厚。

7.根据权利要求1所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，包括至少两个所述支杆，所述支杆沿竖直方向设置，所述支杆对称设置在所述管道的同一个径向截面上，所述支杆上的多个所述固定孔一一对应设置，且对应设置的所述固定孔位于相同的水平高度，所述支杆的长度小于所述管道的内径。

8.根据权利要求7所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，每个所述固定孔的开设方向均与所述管道的轴向方向相同。

9.根据权利要求8所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，每根所述支杆上的所有所述固定孔的轴心线位于同一平面内。

10.根据权利要求7所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，每个所述第二测温元件到所述第一通孔组内的相邻两个所述通孔之间的距离相等。

11.根据权利要求10所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，所述第一测温元件和第二测温元件位于所述管道同一个周向上。

12.根据权利要求10所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，多组所述通孔组包括第二通孔组及第三通孔组，所述第二通孔组和第三通孔组中的所述通孔的总数量等于所述支杆上所述固定孔的总数量；所述第一通孔组、第二通孔组及第三通孔组中的多个所述通孔之间交错排列。

13.根据权利要求12所述的一种管道模拟实验装置，其特征在于，所述管道内壁设置有两个所述支杆，所述第三测温元件及第四测温元件的感温端分别贯穿两个所述支杆上的所述固定孔；部分所述第三测温元件对应所述第二通孔组中的所述通孔设置，剩余部分所述第三测温元件对应所述第三通孔组中的所述通孔设置；部分所述第四测温元件对应所述第二通孔组中的剩余所述通孔设置，剩余部分所述第四测温元件对应所述第三通孔组中的剩余所述通孔设置。

14.一种利用如权利要求1～13任意一项所述的管道模拟实验装置测量所述管道的内壁、外壁及管道内部流体的温度的方法。