反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)主管道研究范文

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《核動(dòng)力工程雜志》2014年第三期

1分析準(zhǔn)則

疲勞和應(yīng)力的驗(yàn)收準(zhǔn)則主要采用ASME規(guī)范NB-3600（98版），其應(yīng)力和疲勞的驗(yàn)收準(zhǔn)則見表1。表1中各式形式如下：假定管道部件作為承壓邊界，其主要失效特征為環(huán)向應(yīng)力引起的塑性垮塌，即由于缺陷存在而產(chǎn)生一個(gè)軸向裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)。為了控制環(huán)向應(yīng)力作為靜載荷引起管道失效，應(yīng)當(dāng)首先校核環(huán)向應(yīng)力以保證滿足相當(dāng)?shù)墓艿辣诤褚螅粷M足要求后再分別校核一次應(yīng)力強(qiáng)度要求，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度范圍要求（若不滿足還應(yīng)當(dāng)采用簡(jiǎn)化的彈塑性不連續(xù)性分析），通過(guò)計(jì)算峰值應(yīng)力強(qiáng)度范圍從而評(píng)價(jià)疲勞強(qiáng)度，以及關(guān)于熱棘輪效應(yīng)的安定性評(píng)價(jià)。

2管道熱瞬態(tài)分析

用于疲勞分析的管道瞬態(tài)主要包含RCS的壓力、管道內(nèi)流質(zhì)流動(dòng)的速度以及瞬態(tài)的溫度。這些都是基于時(shí)間遞增可擬合得到的函數(shù)曲線。

2.1主管道內(nèi)的對(duì)流換熱對(duì)于管內(nèi)單向流動(dòng)的情況，其對(duì)流換熱系數(shù)可以用Seider-Tate關(guān)系式計(jì)算（適用范圍是0.7＜Pr＜120；Re＞10000；L/D＞60）[4]，如式（8）所述。在各瞬態(tài)列表中看到的溫度只是冷卻劑的實(shí)時(shí)溫度，該溫度將通過(guò)飽和單相流熱交換的方式傳遞到主管道內(nèi)壁。通過(guò)對(duì)主管道內(nèi)表面對(duì)流換熱過(guò)程的研究可以看到，當(dāng)確定了管道尺寸和流質(zhì)特性等方面因素后，管道內(nèi)對(duì)流換熱的系數(shù)將成為一個(gè)與流體流速v相關(guān)的函數(shù)，主要通過(guò)表征管道內(nèi)流體流通的狀態(tài)，即Re來(lái)影響對(duì)流換熱系數(shù)的取值。當(dāng)流速上升，管道內(nèi)流體更多地體現(xiàn)為層流特征，同理當(dāng)流速下降時(shí)（Re過(guò)小）則更多地表現(xiàn)出自然對(duì)流產(chǎn)生的內(nèi)表面湍流，在研究對(duì)流換熱的過(guò)程中需要區(qū)別對(duì)待各種瞬態(tài)，然而大多數(shù)RCS瞬態(tài)將適用于Seider-Tate關(guān)系式。

2.2熱瞬態(tài)分析時(shí)間積分與時(shí)間步長(zhǎng)為了保證時(shí)間積分與時(shí)間步長(zhǎng)Δt的合理性，一般在計(jì)算過(guò)程中使用2種無(wú)量綱的因子Biot數(shù)（Bi）和Fourier數(shù)（Fo）來(lái)確定時(shí)間步長(zhǎng)。Bi是不考慮尺寸的熱阻對(duì)流和傳導(dǎo)比例因子。

2.3沿管道壁厚方向溫度場(chǎng)的求解在有限元求解的時(shí)候，為了求得沿壁厚的溫度分布，將模型建成一個(gè)同心圓平面，在內(nèi)圓面上施加流體的對(duì)流換熱系數(shù)和流體溫度。考慮到主管道的外部包著隔熱材料，因此保守認(rèn)為管道外部為絕熱，且初始溫度設(shè)定為設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度。即把整個(gè)模型設(shè)置成為溫度內(nèi)低外高的散熱過(guò)程。之前已經(jīng)介紹過(guò)，有限元分析后處理的目的在于提取1T和2T供本文第2節(jié)所述的公式計(jì)算使用。通過(guò)計(jì)算，在每一個(gè)瞬態(tài)時(shí)刻的溫度分布范圍均可以用一個(gè)函數(shù)Ty來(lái)表示（圖1），溫度分布范圍可以分成3部分：在疲勞計(jì)算中需要提取的是1T（令1T=V）和2T。這在后處理中可以通過(guò)管道壁厚方向定義路徑，提取到離散節(jié)點(diǎn)的y值和對(duì)應(yīng)的溫度，進(jìn)而進(jìn)行積分求解。1T的計(jì)算得到的值也適用于ASMENB-3653.7熱棘輪效應(yīng)的影響校核，許用線性部分的溫差1T應(yīng)當(dāng)不超過(guò)本文式（7）中規(guī)定的數(shù)值。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到，根據(jù)NB-3611中的要求，在NB-3200中允許采用1.5Sm來(lái)替代公式（7）中的Sy值來(lái)進(jìn)行熱棘輪的安定性評(píng)價(jià)。考慮到NB3600的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果能夠被NB3200所包絡(luò)，而通常NB3600的公式法結(jié)果更為保守，本文在最小壁厚的迭代過(guò)程中采用的是NB3600的有關(guān)論述。

3計(jì)算流程

主管道疲勞分析的核心內(nèi)容為沿壁厚方向的溫差分布，即熱瞬態(tài)分析。依據(jù)ASMEBPVCode第三卷NB分卷管道設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容，求解最小壁厚的流程如圖2所示。以此為依據(jù)，采用循環(huán)累加的方法得到最小壁厚，該值可為以后可能出現(xiàn)的主管道壁厚減薄的情況提供審評(píng)依據(jù)。在求解主管道最小壁厚的過(guò)程中采用了優(yōu)化算法，即設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)以及多個(gè)等式或不等式邊界條件，讓目標(biāo)函數(shù)趨近邊界以得到最優(yōu)解。流程展現(xiàn)了整個(gè)求解的思路和算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的邏輯過(guò)程。具體的計(jì)算過(guò)程可以通過(guò)多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。本文采用FORTRAN95語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范公式法應(yīng)力分析計(jì)算、疲勞雨流法計(jì)數(shù)和瞬態(tài)疊加的過(guò)程。在溫度瞬態(tài)的計(jì)算過(guò)程中，則采用ANSYS表參數(shù)的方式對(duì)瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行輸入（輸入?yún)?shù)包括各瞬態(tài)下的冷卻劑溫度、RCS的壓力、流速），進(jìn)行求解和后處理，將溫度結(jié)果導(dǎo)入FORTRAN95編寫的程序進(jìn)行處理。雖然在核電的設(shè)計(jì)過(guò)程中不主張采取最優(yōu)解的方法，但是本算例中的邊界條件完全依據(jù)成熟且保守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這些計(jì)算方法、參數(shù)選取、材料等均保守可接受。此外邊界條件不牽涉制造、安裝和檢驗(yàn)過(guò)程中的技術(shù)條件，僅專注考慮在設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)中的要求。因此在材料和制造等環(huán)節(jié)質(zhì)量能夠保證的前提下這種求解最值的方法是可靠的。

4結(jié)束語(yǔ)

本文從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求出發(fā)，對(duì)管道分析的應(yīng)力、疲勞和熱棘輪情況進(jìn)行了總結(jié)，采用有限元熱瞬態(tài)分析代替有限差分方程來(lái)求解標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算中需要的沿壁厚線性溫度分布和非線性溫度分布情況，同時(shí)采用優(yōu)化方法進(jìn)行迭代循環(huán)以不斷趨近于能夠滿足ASME規(guī)范要求的最小壁厚值。本項(xiàng)研究可為管道設(shè)計(jì)、制造和安裝過(guò)程中出現(xiàn)的偏差或不符合項(xiàng)提供參考，為安全審評(píng)提供依據(jù)。

作者：周舟孟少朋包捷 單位：機(jī)械科學(xué)研究總院核設(shè)備安全與可靠性中心