核电站主管道—限制件系统甩击过程的数值模拟与简化分析

发布时间：2020-07-07 08:36

【摘要】：由于内部缺陷、管道老化或遭遇地震等偶然事故工况影响，核电站中高温、高压条件下运行的主蒸汽、主给水管道在长期服役过程中极有可能产生破裂，致使管道内部高压流体从破口处高速喷出。在巨大的喷射反力作用下，管道可能产生大范围甩动从而对核电站造成严重破坏。因而需要设置防甩击限制件对管道甩击进行防护。研究在喷射力作用下管道－限制件系统的受力和变形，对于管道防甩击设计、保障核电站的安全具有重要意义。以美法为代表的核电大国早在上世纪60年代起便对管道甩击问题开展了大量的理论与试验研究，其编制的管道甩击分析软件长期垄断国内外核电建设市场。当前我国正在大力开展核电建设，为了降低对国外核电技术的依赖，近些年国内越来越多的学者开始关注管道甩击问题的研究。计算机技术以及有限元理论的发展，为管道甩击问题的研究提供了新的途径。本文采用数值模拟的方法对管道－限制件系统的甩击过程开展了一系列研究，在此基础上完善了管道甩击简化分析方法以便于实际工程应用。主要研究内容如下：（1）基于ABAQUS有限元分析软件建立了管道－限制件系统有限元模型，通过与日本原子能研究中心进行的管道甩击试验进行对比，验证了有限元模型的可靠性。（2）对环向断裂工况下管道－限制件系统甩击过程进行数值模拟，研究并建立简化计算模型。总结了动力学法、能量平衡法和力矩平衡法三种环向断裂下管道甩击简化分析方法，并通过算例分析对这三种简化算法进行横向对比。（3）基于悬臂梁模型对限制件的布置位置、限制件与管道间的初始间隙以及限制件与管道间摩擦作用对管道－限制件系统甩击过程中受力与变形的影响进行分析，并对实际工程中防甩击限制件的优化布置提出建议。（4）对纵向破裂工况下管道－限制件系统甩击过程进行数值模拟，建立了三类适用于不同情况的简化计算模型。基于能量平衡原理推导了纵向破裂下管道－限制件系统甩击过程的简化分析方法。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM623
【图文】：

示意图,核电机组,主蒸汽管道

图 1-1 某核电机组主蒸汽管道图 1-2 某核电机组主给水管道1.2.2 管道破裂位置与破裂类型基于相关的研究成果，美国ANSI/ANS-58.2标准基于管道的整体应力水平，结合实际工程经验，从连续介质力学强度理论的角度给出了判定管道最易破裂位置和破口类型的方法。图1-3为主蒸汽管道假想破裂位置示意图。一般认为在以下区域管道可能发生假想破裂[5]：（1）管道系统的端部；（2）管道弯头、三通、渐缩管、法兰和非标准接头等管道接头处、焊接附件和阀门处；（3）包括持续载荷、偶然载荷和热膨胀在内的极端工况以及正常工况下计算的最大应力集中区域；对于高能管道，在每个假想破裂位置处均需假设其可能发生环向断裂或纵向破裂两种破裂类型[1,2,7]，但这两种破裂并非同时发生。环向断裂的裂缝方向与管道轴线垂直，假定环向断裂下管道完全断开,如图1-3（a）所示。纵向破裂

示意图,核电机组,主给水,管道

示意图,主蒸汽管道,破口

基于相关的研究成果，美国ANSI/ANS-58.2标准基于管道的整体应力水平，结合实际工程经验，从连续介质力学强度理论的角度给出了判定管道最易破裂位置和破口类型的方法。图1-3为主蒸汽管道假想破裂位置示意图。一般认为在以下区域管道可能发生假想破裂[5]：（1）管道系统的端部；（2）管道弯头、三通、渐缩管、法兰和非标准接头等管道接头处、焊接附件和阀门处；（3）包括持续载荷、偶然载荷和热膨胀在内的极端工况以及正常工况下计算的最大应力集中区域；对于高能管道，在每个假想破裂位置处均需假设其可能发生环向断裂或纵向破裂两种破裂类型[1,2,7]，但这两种破裂并非同时发生。环向断裂的裂缝方向与管道轴线垂直，假定环向断裂下管道完全断开,如图1-3（a）所示。纵向破裂的裂缝沿管道轴向发展，纵向破裂下管道产生破口但并没有完全断开，如图1-3（b）所示。除非结构构件、管道限制件或管道自身刚度能限制管道在喷射力作用下的运动，否则应假设管道沿喷射反力的方向运动。

【参考文献】