基于PDMS的核級管道阻尼器自動校核研究與應用

蘇應斌 唐涌濤 王 帥 肖韻菲 黃 偉

（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

阻尼器是管道和設備重要的安全保護裝置，用來保護管道和設備在遭受突加載荷（地震和壓力突變等）時免遭破壞，其對正常膨脹引起的緩慢運動不產(chǎn)生約束作用，當承受突加載荷時，阻尼器近似為剛性，可對管道及設備提供剛性支承，約束其位移，使其不受損害[1]。

目前國內(nèi)在建電廠較多，在出版支吊架組裝圖時，阻尼器的型號及尺寸暫時按參考電站設計。待廠家阻尼器參數(shù)以及支吊點位移、載荷等輸入確定后，必須對阻尼器型號及尺寸進行校核，以避免在電廠運行過程中阻尼器鎖死或剛度不夠導致失效。通常設計時需要人工查表、計算、對比分析，最后進行判定。由于阻尼器數(shù)量繁多，信息量大，計算過程數(shù)據(jù)多，導致校核工作繁雜耗時且易出錯。因此，結合工程實際，基于PDMS平臺，使用PML語言，開發(fā)了支吊架阻尼器校核程序。

1 設計過程

1.1 設計依據(jù)

阻尼器的選型是要確定阻尼器的剛度系列、行程系列以及安裝長度，基本步驟如下：

（1）力學專業(yè)在管道應力分析計算過程中，如管道的地震應力過大，無法滿足準則要求，同時若設置剛性支架，熱膨脹應力不滿足要求，此時就需要設置阻尼器。

（2）布置專業(yè)根據(jù)管徑、地震載荷等因素和阻尼器型號參數(shù)表（見表1）初步選取阻尼器的剛度系列。

（3）力學專業(yè)根據(jù)阻尼器的剛度值來計算地震載荷，確認當前剛度系列的阻尼器載荷是否滿足要求。

（4）根據(jù)支架點熱位移、力學模型中阻尼器的方向以及阻尼器參數(shù)表中的半行程長度，計算阻尼器冷態(tài)安裝長度，盡量使正常工況下阻尼器位于半行程狀態(tài)[2]。

（5）根據(jù)支架點最大、最小位移、阻尼器的方向以及上一步計算得到的冷態(tài)安裝長度，計算阻尼器的位移范圍。

（6）根據(jù)位移范圍選擇合適的行程系列，使得阻尼器的位移處于有效行程內(nèi)。

參考電站已給出了阻尼器的型號、安裝方向及長度，因此就省去了（1）、（2）兩項的工作，演變?yōu)樽枘崞餍吞?、安裝長度的校核過程，見表1。

1.2 程序流程

本程序基于工程的實際需要，根據(jù)阻尼器型號、安裝長度的校核步驟，在PDMS11.5.SP1 DESIGN模塊下，利用可編程宏語言PML編寫。

1.2.1 數(shù)據(jù)庫搭建

阻尼器參數(shù)主要包括型號、載荷、工作行程、有效行程、半行程長度、底座高度等?；赑DMS可以調用CSV（逗號分隔）文件的特點，通過建立CSV文件，并在其中輸入阻尼器的相關參數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的搭建。

1.2.2 正常工況下計算分析

阻尼器在各種工況下長度的計算是通過在空間坐標系中取點，計算點與點之間的距離來實現(xiàn)的。取阻尼器兩側銷子的中心點，連接管道，會隨管道而移動的設為動點，與結構連接，固定不動的點為定點。建立一個X、Y、Z坐標系，坐標系的方向與管道軸測圖保持一致，即+X為東，+Y為北，+Z為上。將冷態(tài)下動點的坐標設置為（0，0，0）點，然后根據(jù)參考圖紙中給定的阻尼器方向、安裝長度、底座高度，就可以計算出定點的坐標。

根據(jù)力學專業(yè)提供的熱位移值，可在坐標系中確定正常工況下動點的坐標，從而計算出正常工況下阻尼器的長度。通過與阻尼器半行程長度、工作行程內(nèi)最大和最小長度的對比，會出現(xiàn)以下三種情況：

（1）阻尼器剛好處于半行程狀態(tài)，這是最理想的一種情況；

（2）阻尼器的長度已經(jīng)超出了工作行程，需要修改阻尼器安裝長度或型號；

（3）阻尼器未處于半行程狀態(tài)，也未超出工作行程。

第（1）、（3）種情況需要通過事故工況下的計算來繼續(xù)驗證阻尼器設計是否符合要求，第（2）種情況需要通過事故工況下計算得到的數(shù)據(jù)來對阻尼器型號或尺寸進行修正。

1.2.3 事故工況下計算分析

通過事故工況下支架點的最大最小位移，在坐標系中選取位移最大和最小的動點，來計算動點和定點之間的距離，從而得到了阻尼器的最大和最小長度。計算動點與定點之間的距離可以等效為計算空間中某點到一個立方體的最大和最小長度。

通過與有效行程內(nèi)最大和最小長度的對比會出現(xiàn)以下三種情況：（1）阻尼器最大和最小長度均在有效行程范圍以內(nèi)；

（2）阻尼器最大或者最小長度超出了有效行程的范圍，但總的位移量小于有效行程；

（3）阻尼器的最大和最小長度均超出有效行程的范圍。

1.2.4 綜合分析判斷

得到正常工況和事故工況的校核結果后，程序就可以對阻尼器設計是否符合要求來進行判斷。阻尼器只有滿足正常工況下（1）或（3）并且滿足事故工況下（1）才是符合要求的。出現(xiàn)事故工況下第（2）種情況，就需要對安裝長度進行修改，使阻尼器最大和最小長度在有效行程內(nèi)。出現(xiàn)事故工況下第（3）種情況就需要對阻尼器型號進行修改，根據(jù)總位移量選擇較大行程的阻尼器型號，在程序中輸入后重新校核，使阻尼器最大和最小長度在有效行程內(nèi)。

表1 阻尼器數(shù)據(jù)表Table.1 Snubber date

圖1 首次校核結果Fig.1 The result of first check

圖2 再次校核結果Fig.2 The result of second check

3 工程實例說明

下面通過典型的工程實例對程序的使用過程進行說明。

某支吊架組裝圖中阻尼器型號為DA5a，方向為W 35 S，冷態(tài)安裝長度為730mm。輸入以上信息，輸出得到定點坐標（-483.3，-338.41，0）。

輸入力學專業(yè)提供的熱位移（-11，-22，-5），輸出結果顯示需修改阻尼器安裝長度或換型，此時阻尼器壓縮量為21（相對于阻尼器冷態(tài)安裝長度），已經(jīng)超出阻尼器工作行程1mm。

輸入事故工況下的最大和最小位移（-32/18,-55/25,-15/12）,輸出結果顯示，阻尼器最大壓縮狀態(tài)時會超出行程，要求修改阻尼器安裝長度或換型。同時顯示壓縮量為57，伸長量為29，二者之和總位移量86已經(jīng)超出了DA5a的有效行程80，因此結論為阻尼器設計不符合要求，校核結果見圖1。

在這種情況下，就需要調整阻尼器的型號和安裝尺寸。根據(jù)阻尼器參數(shù)表，DA5b的有效行程為120，大于事故工況下阻尼器的位移總量86，因此選用DA5b重新進行校核。根據(jù)正常工況下阻尼器壓縮量為21，半行程長度為800，將阻尼器安裝長度定為821。在程序中輸入新的阻尼器的型號以及安裝長度，依次重新校核，輸出結果如圖4所示，正常工況下阻尼器正好位于半行程位置，事故工況下也未超出有效行程，因此得到的結論是重新選擇的阻尼器型號及長度符合要求。

4 結束語

目前該程序已在紅沿河、寧德、陽江、福清、方家山等多個核電項目上得到了應用，實際工程應用表明：

（1）程序運行穩(wěn)定、兼容性良好、運算速度快、界面友好、操作簡單方便；

（2）從電廠安裝、調試、運行階段的反饋來看，未發(fā)現(xiàn)有超出行程導致阻尼器鎖死現(xiàn)象的出現(xiàn)，證明了該程序計算的準確性；

（3）該程序解決了阻尼器校核工作繁瑣、數(shù)據(jù)量大、容易出錯的問題，提高了設計人員的工作效率，節(jié)省了大量的計算時間；

（4）該程序為后續(xù)自主核電項目上阻尼器選型程序的開發(fā)奠定了良好的基礎。

[1]葉碧鋒.核電廠阻尼器的選型及應用[J].中國科技博覽,2010,27:303-304.

[2]Q/CNPE.J105.6-2009核電站標準支吊架手冊[S].