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        管道瞬態(tài)泄壓載荷的力學分析研究

        2020-07-28 11:27:22徐中華
        中國電氣工程學報 2020年2期
        關鍵詞:力學分析壓力管道瞬態(tài)

        摘要:壓力管道瞬態(tài)泄壓發(fā)生在事故工況,是核電站安全分析的重點和難點。理論上瞬態(tài)泄壓載荷會對管道產生沖擊,會導致管線振動變大,甚至造成管線損壞,本文對某核電項目泄壓箱管線的計算單元建立管道系統(tǒng)模型,根據ASME[1]規(guī)范B31.1節(jié)計算出瞬態(tài)泄壓載荷,經PIPESTRESS軟件進行力學分析,得到瞬態(tài)泄壓載荷對管線系統(tǒng)的應力比。通過合理布置管道和支架,能使管系在事故工況下,滿足RCC-M[2]規(guī)范應力評定準則要求。

        關鍵詞:?壓力管道;瞬態(tài);泄壓;力學分析;事故工況

        引言

        核電廠管道力學分析中,通常對管道內流體瞬態(tài)變化產生的載荷通常沒有考慮,根據流體瞬態(tài)變化的產生機理,當管道內流速瞬間變大、壓力波突變嚴重時,該載荷對管道的沖擊力很大,可能會產生較大應力并導致管線振動甚至損壞。因此瞬態(tài)泄壓載荷屬于偶然載荷,需要在事故工況進行考慮。本文通過實例模擬流體泄壓瞬態(tài)下產生的載荷對管道的作用力,進而對管線采取適當?shù)谋Wo措施,確保了重要管線的完整性和安全性,并滿足RCC-M規(guī)范要求。

        泄壓箱管線系統(tǒng)的實例分析

        2.1管道系統(tǒng)模型

        采用PIPESTRESS軟件進行力學分析,該軟件功能強大,作為專業(yè)的管道力學分析軟件,操作簡單,易于掌握,可以快速地進行管道應力分析。

        該泄壓箱管線系統(tǒng)中,管道系統(tǒng)由泄壓箱、排放管線和爆破盤組成。泄壓箱管線模型如圖1 中所示。兩根排放管線的布置一致,因此取其中一個管線進行模型簡化分析。管道系統(tǒng)分析模型如圖2 中所示。

        設置管道支撐時,既要考慮足夠的柔性以吸收管道熱膨脹和收縮,也要考慮足夠的剛性以承受動載荷的作用和配合土建的安裝。應用軟件的快速應力分析功能,計算出泄壓箱管線系統(tǒng)在各種載荷作用下的應力值,以此來調整管道支撐的合理布置方案。根據自重內壓、熱膨脹、地震及瞬態(tài)載荷的結果調整支架或阻尼器的數(shù)量和位置。通過反復地驗算和調試,合理布置泄壓箱管線系統(tǒng)的管道支撐,以保證管道系統(tǒng)具有足夠的柔性和剛性。

        2.2力學分析

        泄壓箱管線系統(tǒng)在核電廠壽命期內所承受的載荷有:自重、熱膨脹、內壓、地震和瞬態(tài)泄壓載荷。其力學分析方法[3]如下。

        2.2.1 靜力學分析

        泄壓箱管線系統(tǒng)所承受的靜載荷有:自重、熱膨脹以及內壓。

        自重

        采用在豎直方向施加加速度的方法模擬自重載荷。

        熱膨脹與內壓

        對于核電廠的 4 類工況,分別定義不同管段的溫度值和壓力值。程序將根據管道熱膨脹系數(shù)計算所產生的膨脹位移和膨脹應力,同時根據公式計算出由內壓引起的管道應力。

        2.2.2動力學響應分析

        泄壓箱管線系統(tǒng)所承受的動載荷有: 地震和瞬態(tài)泄壓載荷。

        1)地震

        泄壓箱管線系統(tǒng)在核島廠房內,在支架約束處輸入樓層的地震反應譜,來計算整個系統(tǒng)的地震響應。

        2)瞬態(tài)泄壓載荷

        在ASME規(guī)范中對管道瞬態(tài)排放力的描述:管道內流體的快速流動會對排放管道產生一定的作用力,通過排放管道傳至安全閥,并以力矩的形式通過管道作用在安全閥的設備或管道接口,以保證安全閥進出口管道及其他設備的安全。

        管道瞬態(tài)作用力大小與安全閥的開啟時間,流體壓力及管道流通面積有關,則瞬態(tài)泄壓對管段的作用力公式為

        在對應工況下將泄壓管線隨時間變化產生瞬態(tài)泄壓管段作用力施加在泄壓點和彎頭連接處。根據作用力公式,計算得到瞬態(tài)泄壓載荷如圖3所示。文中利用PIPESTRESS 軟件的時程分析功能進行瞬態(tài)載荷計算。

        3應力評定

        根據RCC-M規(guī)范的要求,對管道在設計、正常、擾動、緊急和事故工況下分別進行應力組合[4]。泄壓箱管線系統(tǒng)屬于RCC-M核二級管道,使用C3600進行評定。管道應力分析結果見表1。

        4?設備接管載荷評定

        由于緊急和事故工況下施加了瞬態(tài)泄壓載荷,該工況下設備接管載荷比其他工況要大許多,泄壓箱管口處的接管載荷結果見表2。經過設備核算,泄壓箱的接管載荷與限值的最大比為,滿足要求。

        5 結語

        經過分析,泄壓箱管線系統(tǒng)在承受自重、壓力、熱膨脹、地震、瞬態(tài)泄壓載荷作用下,均滿足RCC-M規(guī)范應力評定準則和設備接管載荷限值要求。整個分析過程采用了先進的分析工具,并對瞬態(tài)泄壓載荷的計算進行了說明,為后續(xù)項目管道計算奠定了基礎。

        參考文獻

        [1] ASME B31.1-2010, Power Ping?[S], New York: ASME, 2009: 12

        [2] RCC-M.壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則(2007版)[S]

        [3] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京:中國石化出版社,2003.

        [4] 艾紅雷等.核電廠主管道事故工況載荷組合合理性研究[J].成都:核動力工程,2016.

        徐中華( 1982 -) ,男,工程師,主要從事核級管道設備力學分析工作

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