楊理烽 張為榮

1.中國核電工程有限公司 北京 100840 2.中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司 江蘇蘇州 215000

1 分析背景

核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求具有很高的可靠性,因此需要盡可能降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)泄漏的風(fēng)險(xiǎn),而管道的振動(dòng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏的主要原因之一,所以減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)管道的振動(dòng)非常關(guān)鍵。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓管道內(nèi)介質(zhì)的快速流動(dòng)會誘發(fā)管道振動(dòng),而管道的振動(dòng)又會影響介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),兩者互相影響,從而產(chǎn)生耦合振動(dòng)。強(qiáng)烈的流固耦合作用會造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)中液壓管道的振動(dòng),使卡套式管接頭容易松動(dòng),最終導(dǎo)致接頭泄漏或提高泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

以主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)快關(guān)通道中的折彎式回油管道為研究對象,驗(yàn)證流固耦合作用對液壓管道振動(dòng)的影響,分析管道在不同的折彎方式及有無管夾情況下的耦合振動(dòng)特性,從而得出管道的合理折彎方式,以及使用管夾的必要性,有效降低核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓管道的振動(dòng)和泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2 流固耦合振動(dòng)方程的應(yīng)用

核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用活塞式蓄能器進(jìn)行蓄能,蓄能器活塞兩側(cè)分別充滿了高壓氮?dú)夂鸵簤河?氮?dú)夂鸵簤河偷膲毫ζ胶??？礻P(guān)開始時(shí),對蓄能器中的高壓氮?dú)膺M(jìn)行近似絕熱膨脹,推動(dòng)蓄能器活塞,通過液壓油傳遞壓力,從而使液壓缸活塞對外界做功,在5 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)閥門的快速關(guān)閉。由于快關(guān)過程的時(shí)間短,流量大,并且流量隨時(shí)間快速變化,因此會導(dǎo)致管道內(nèi)部的介質(zhì)和管道之間的流固耦合振動(dòng)。根據(jù)Teneralli建模思想,考慮軸向泊松耦合,忽略摩擦效應(yīng),采用適用于直管和彎管的一介時(shí)域偏微分振動(dòng)方程。

3 液壓油流速與時(shí)間關(guān)系

使用Simulation X軟件對核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算,得出快關(guān)時(shí)回油通道中液壓油流速與時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖1所示。

▲圖1 液壓油流速與時(shí)間關(guān)系曲線

回油管道的內(nèi)徑為13 mm,以設(shè)圖1中的1.02 s為起始, 即新的0 s,估算出回油管道中液壓油流速V與時(shí)間t的關(guān)系,為:

(1)

4 建模

筆者通過分析核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)快關(guān)回路回油管道的流固耦合振動(dòng)特性,為最大限度降低管道振動(dòng)找到最佳的解決方法。對此,需要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部介質(zhì)與管道結(jié)構(gòu)之間的互相影響。ANSYS軟件在求解流固耦合問題時(shí)采用的方法包括單向流固耦合分析法和雙向流固耦合分析法,結(jié)合筆者對核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析思路,采用雙向流固耦合分析法,完成回油管道的流固耦合振動(dòng)仿真計(jì)算。

筆者選擇該執(zhí)行機(jī)構(gòu)快關(guān)通道的某一段回油管道進(jìn)行建模,管道的三維模型如圖 2 所示。管道左端為進(jìn)口端,右端為出口端,管道內(nèi)部為流體域。

▲圖2 管道三維模型

回油管道采用精密無縫鋼管,介質(zhì)為HFDU 68合成酯抗燃液壓油,管道參數(shù)見表1。

表1 管道參數(shù)

將選取的回油管道作為固體域,將內(nèi)部介質(zhì)作為液體域,對回油管道在Mechanical模塊中進(jìn)行Sweep網(wǎng)格劃分,共有67 824個(gè)節(jié)點(diǎn)、53 950個(gè)單元。內(nèi)部介質(zhì)在CFX軟件的Mesh模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共有186 345個(gè)節(jié)點(diǎn)、171 612個(gè)單元。網(wǎng)格劃分如圖3、圖4所示。

▲圖3 固體域網(wǎng)格劃分▲圖4 流體域網(wǎng)格劃分

對回油管道兩端施加固定約束,根據(jù)上文估算的流量與時(shí)間關(guān)系,編制管道進(jìn)口端流速加載程序,如圖5所示。將流速加載至管道進(jìn)口端,管道出口端的壓力設(shè)為零。

▲圖5 管道進(jìn)口端流速加載程序

5 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明,回油管道的最大變形處位于管道第一個(gè)折彎位置。選取該位置截面的一個(gè)點(diǎn)作為特征點(diǎn),特征點(diǎn)的總位移曲線如圖6所示,特征點(diǎn)的總加速度曲線如圖7所示。

▲圖6 特征點(diǎn)總位移曲線▲圖7 特征點(diǎn)總加速度曲線

由圖6可以看出,回油管道在流速隨時(shí)間變化的流體作用下,特征點(diǎn)位移不斷衰減,最終趨于平穩(wěn)。由仿真結(jié)果得出,特征點(diǎn)最大總位移為1.585×10-4m,最大總加速度為2.165 m/s2。

無液壓油時(shí)與快關(guān)過程開始時(shí)的回油管道前十階固有頻率見表2。

表2 管道固有頻率 Hz

由表2可以看出,當(dāng)管道中含有介質(zhì)時(shí),介質(zhì)的作用使回油管道中各階固有頻率顯著降低,所以需要采取措施降低回油管道的流固耦合振動(dòng)。

6 不同折彎路徑分析

將圖2作為折彎路徑Ⅰ,并設(shè)計(jì)另兩種折彎方式,折彎路徑Ⅱ如圖8所示,折彎路徑Ⅲ如圖9所示。這兩種折彎方式的左端均為進(jìn)口端,右端均為出口端,管道中間段的平均高度與折彎路徑Ⅰ一致。

▲圖8 折彎路徑Ⅱ▲圖9 折彎路徑Ⅲ

對這兩種管道分別進(jìn)行雙向流固耦合分析,均在管道的變形最大位置選取一點(diǎn)作為特征點(diǎn),折彎路徑Ⅱ的特征點(diǎn)總位移曲線及總加速度曲線分別如圖10、圖11所示,折彎路徑Ⅲ的特征點(diǎn)總位移曲線及總加速度曲線分別如圖12、圖13所示。

▲圖10 折彎路徑Ⅱ特征點(diǎn)總位移曲線▲圖11 折彎路徑Ⅱ特征點(diǎn)總加速度曲線

▲圖12 折彎路徑Ⅲ特征點(diǎn)總位移曲線▲圖13 折彎路徑Ⅲ特征點(diǎn)總加速度曲線

7 增加管夾后分析

在回油管道距離進(jìn)口端和出口端200 mm的位置處各增加一個(gè)管夾,管夾的底端采用固定約束,管夾與管道設(shè)為綁定接觸,對三種折彎路徑依次進(jìn)行雙向流固耦合分析。

同樣,在管道的變形最大位置選取一個(gè)點(diǎn)作為特征點(diǎn),折彎路徑Ⅰ的特征點(diǎn)總位移曲線及總加速度曲線分別如圖14、圖15所示,折彎路徑Ⅱ的特征點(diǎn)總位移曲線及總加速度曲線分別如圖16、圖17所示,折彎路徑Ⅲ的特征點(diǎn)總位移曲線及總加速度曲線分別如圖18、圖19所示。

▲圖15 增加管夾后折彎路徑Ⅰ特征點(diǎn)總加速度曲線▲圖16 增加管夾后折彎路徑Ⅱ特征點(diǎn)總位移曲線▲圖17 增加管夾后折彎路徑Ⅱ特征點(diǎn)總加速度曲線▲圖18 增加管夾后折彎路徑Ⅲ特征點(diǎn)總位移曲線

▲圖19 增加管夾后折彎路徑Ⅲ特征點(diǎn)總加速度曲線

8 仿真結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果,對三種折彎路徑最大變形位置特征點(diǎn)的總位移曲線及總加速度曲線進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)位移和加速度最大的是折彎路徑Ⅲ,其次為折彎路徑Ⅱ,折彎路徑Ⅰ最小,說明在折彎路徑Ⅰ中流體狀態(tài)相對較為平緩穩(wěn)定,采用折彎路徑Ⅰ對于減小管道的流固耦合振動(dòng)較為合理。

增加管夾后,三種折彎路徑的總位移和總加速度都明顯減小。折彎路徑Ⅰ增加管夾后,總位移峰值為1.389×10-5m,總加速度峰值為0.494 m/s2,與未增加管夾時(shí)的情況相比,總位移峰值減小92%,總加速度峰值減小77%。

因此,在增加管夾約束管道后,回油管道在特征點(diǎn)的振動(dòng)位移和加速度均有大幅度減小。

9 結(jié)束語

綜上所述,合理使用管夾加固管道是降低核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓管道流固耦合振動(dòng)的有效方法。對于液壓管道的折彎方式,盡量均勻地控制管道各處的折彎半徑,能夠很好地減小管道的流固耦合振動(dòng)。

上述方法能夠有效降低核電站主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的管道振動(dòng),為執(zhí)行機(jī)構(gòu)管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考,也為提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性奠定了良好基礎(chǔ)。