JPS6256825A - 管群等の異常振動診断方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、管群等の異常振動診断方法および装置に係り
、特に、原子力発電プラントにおける冷却水系統のよう
に、流体が管や構造物の外側を流れしかもその流体が気
体と液体の混在するいわゆる二相流体の状態にあるとき
に、管群や構造物に発生する異常振動の診断方法および
装置に関する。

〔発明の背景〕

熱交換器中の伝熱管群や原子炉内の構造物は、その外側
を流れる流体が、二相流動雰囲気になつている部分が多
い。

管内を流れる二相流に関する研究や文献は数多い。とこ
ろが、管外を流れる場合については、気泡流、スラグ流
、フロス流、環状流等の流動様式の分類さえも正確には
定められておらず、その判定も定性的な状態にある。

本発明は、主に管外を流れる二相流に関するものである
が、上記のような研究の現状であるから、とりあえず、
管内垂直上昇流における二相流の流動様式を参考として
第２図に示す。これら二相流状態においては、流れの乱
れにより、定常的な励振力が発生し、管や構造物が加振
され、撮動する。

二相流体の乱れにより発生する励振力の周波数が管群や
構造物の固有振動数に一致したとき、管群や構造物の振
動が大きくなり、異常振動発生の原因ともなる。異常振
動の結果、管と管との衝突。

あるいは管または構造物支持部の破損が生ずる惧れがあ
る。

第３図に、（ａ）気泡流および（ｂ）スラグ流の流動様
式に対する励振力のパワースペクトル密度を示す、気泡
流においては、ｌ　ＯＨｚ以下のピークと６０　Ｈｚ付
近のピークとが存在する。スラグ流においては、５Ｈｚ
以下のピークが存在する。

一般に、機器における二相流には、第２図に示した各二
相流の流動様式が単独に存在するわけではなく、むしろ
混在していることが多い、このため二相流体の励振力の
周波数も上記混在する流動様式に対応するスペクトルを
有する。一方、管群または構造物の固有振動数は、気体
と液体の混合割合を示すボイド率により変化する。

そこで、二相流体の励振力により発生する管群や構造物
の振動周波数分析とボイド率を考慮した固有振動数の解
析結果とを比較すると、管群や構造物に発生した異常振
動の原因が、過大な励振力か共振現象かを判別可能にな
ると考えられる。

なお、上記文献の一例としては、白木他、「二相流を受
ける熱交換器管群の振動」、三菱重工技報、ＶｏＱ、１
９．Ｎａ５がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、二相流体の状態にある管群または構造
物の異常振動発生の原因を特定するための異常振動診断
方法および装置を提供することである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は、管群または構造
物の二相流体中の振動を計測しその周波数を分析する一
方、二相流体のボイド率を計測しこのボイド率に対応す
る管群または構造物の固有振動数を算出して、振動周波
数および固有振動数を比較することにより、異常振動発
生原因を診断することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

管外を流れる二相流体に適用した本発明の実施例を、第
１図を参照して詳細に説明する。第１図は、本発明によ
る異常振動診断装置のブロック図である。図において、
１は管または構造物、２は気体と液体の混在する気液二
相流体、３はボイドセンサ、４は振動センサ、５は振動
計、６は振動分析器、７はボイド計、８は演算器、９は
表示器である。

二相流体２の乱れによって発生した管または構造物１の
振動信号は、振動センサ４により検出され、振動計５で
増幅され、振動分析器６において周波数分桁にかけられ
る。一方、二相流体２のボイド信号はボイドセンサ３に
より検出され、ボイド計７においてボイド率を算出され
る。演算器８は、このボイド率を用いて、管または構造
物の固有振動数を求める。固有振動数の求め方について
は後述する。求めた固有振動数と先の振動分析結果とを
表示器９に同時に表示する。

第４図にその表示例を示す。第４図の表示例において、
分析結果と二相流体のボイド率から得られる固有振動数
が一致しているとき、管は共振状態にあると診断できる
。一方、分析結果の振動ピークが固有振動数と一致しな
いとき、管に作用する励振力は二相流特有の異常な励振
力であると診断できる。

次に、演算器８を用いて管または構造物の固有振動数を
求める簡易計算方法について述べる。

まず、記号の定義をしておくと、 ｍ：管の質量 ｒｎ　Ｔ　Ｐ　＋　ｒｎ　ａ　Ｈ１７１ｗ　：付加質量
に：管のばね定数 ρ：液体密度 γ：ボイド率 ω、ω１．ω冑、ωＴＰ：管の固有振動数ａ：空気中 Ｗ：水中 ＴＰ：二相流体中 さて、管または構造物かばね一質量系の力学モデルに置
き換えられたとすると、管の固有振動数ωは。

ω”＝に／ｍ　　　　　　　　　　・・・・・・・・・
（１）で与えられる。また水中における管の固有振動数
ω、は、水の付加質量をｍＷとすると。

ｃ、＋、”＝に／　（ｍ＋ｍ−）　　　　　・−−・・
（２）で得られる。二相流体中の付加質量ｍ丁Ｐは、空
気中および水中の付加質量にボイド率を導入して、ｍｒ
ｐ＝γｍｍ＋（１−γ）　ｍｗ　　−−−−−−−−−
ｃ３）となる。この結果、二相流体中の管の固有振動数
ωＴＰは ω丁ｐ”＝　　ｋ　／　　（ｍ　＋　ｍｒｐ）＝□−−
−−−−−−−−−−−・・・・・・・・・（４）ｍ＋
γｒｎａ４（１−γ）ｍｓ で求められる１式（４）は書き換えると、次式になる。

ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍ・・・・・・
・・・（５） 空気中の付加質量ｍ＆は微小であり、この結果ｍａ／ｍ
＜＜１＠Ｏとなる、これより式（５）は。

ｍ（１＋（Ｕ−γ）−） １＋（１−γ）□ となる１式（２）より、 ｍ　　　　　　　　　　ω豐 を得る。式（７）を式（６）に代入して１＋（１−γ’
）（（−）”１） ωＷ を得る。また管の空気中の固有振動数はｍａ／ｍ＜（１
の関係から、近似的に式（１）で得られる値と同じであ
る。この結果、管１の空気中および水中の固有振動数を
事前に求めておけば、ボイド率γにおける管の固有振動
数を容易に算出できる。

式（８）中において、空気中および水中にある管の固有
振動数算出にあたっては、実験的あるいは構造解析等の
計算プログラムを用いてもよい。

また空気中（気体）の付加質量が黙視できない場合、式
（８）は次式で置き換えられる。

ω２ ωａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　ω雷・・・・・・・・・（９） 式（９）によれば、二相流体中において気体中の付加質
量効果を無視できない場合の固有振動数が求められる。

〔発明の効果〕

本発明の異常振動診断方法および装置においては、二相
流体中の管群等の振動を計測してその振動周波数を分析
する・一方、二相流体のボイド率を計算して管の固有振
動数を求め、これら振動周波数と固有振動数とを比較す
るので、二相流体により発生した管の異常振動が管の固
有振動数との共振によるものか二相流体の異常励振力に
よるものかを適確に診断できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による異常撮動診断装置の一実施例を示
すブロック図、第２図は管内垂直上昇流における二相流
の流動様式を示す図、第３図は気泡流およびスラブ流の
流動様式に対する励振力のパワースペクトル密度を示す
図、第４図は振動分析結果と固有振動数とを表示器に同
時に表示した例を示す図である。 １・・・管群、２・・・二相流体、３・・・ボ、イドセ
ンサ、４・・・振動センサ、５・・・振動計、６・・・
振動分析器、７・・・ボイド計、８・・・演算器、９・
・・表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、二相流体中の管群等の振動を計測しその周波数を分
   析する一方、二相流体のボイド率を計測しこのボイド率
   に対応する管群等の固有振動数を算出して、前記周波数
   分析結果とこの固有振動数とを比較し、二相流体中の管
   群等の振動の原因が管群等の共振か二相流体の異常励振
   力かを判定することを特徴とする管群等の異常振動診断
   方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、空気中の管群等の
   固有振動数と水中の管群等の固有振動数とを予め求めて
   おき、二相流体のボイド率に応じてそれらの算入比率を
   変え、二相流体中の管群等の固有振動数を算出すること
   を特徴とする管群等の異常振動診断方法。 ３、二相流体中に置かれた管群等の振動を検出する振動
   センサと、検出振動信号を増幅する振動計と、増幅され
   た信号を周波数分析する振動分析器と、前記二相流体の
   ボイドを検出するボイドセンサと、ボイドセンサの信号
   からボイド率を得るボイド計と、そのボイド率をもとに
   二相流体中の管群等の固有振動数を算出する演算器と、
   前記振動分析器と演算器との出力を重ね合わせて表示す
   る表示器とからなり、周波数分析結果に生じたピーク値
   と固有振動数とが一致するか否かにより二相流体中の管
   群等の振動原因を特定することを特徴とする管群等の異
   常振動診断装置。