數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的核級(jí)管系中阻尼器削減分析

張俊媛　趙紅崗　陳超

摘 要：為了有效地解決阻尼器在核級(jí)管系中使用量的減少或者不使用問題，應(yīng)采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法，借助管道力學(xué)計(jì)算專業(yè)有限元分析軟件平臺(tái)。為了得到管道應(yīng)力、支吊架反力和節(jié)點(diǎn)位移，對(duì)核級(jí)管道系統(tǒng)進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到結(jié)果，然后對(duì)阻尼器削減前后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比。為了使阻尼器削減后的管系力學(xué)性能依然滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，根據(jù)阻尼器削減前后的計(jì)算結(jié)果，使部分支架的功能發(fā)生改變，不斷調(diào)整支架的位置，并用剛性支架代替阻尼器。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；核級(jí)管系；阻尼器；削減

中圖分類號(hào)：TL353+.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.082

近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，阻尼器在核電廠管道系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。阻尼器的應(yīng)用不僅能夠使管系的力學(xué)性能更好地達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，還有效地解決了振動(dòng)載荷和熱膨脹載荷作用下管系2種不同力學(xué)行為之間的矛盾。但是，阻尼器依然存在諸多缺陷，比如維修困難、成本高等。因此，研究削減阻尼器在核電廠管道系統(tǒng)中的應(yīng)用具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

在管道系統(tǒng)中，削減阻尼器后，管系的力學(xué)性能將達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，它的特征也會(huì)發(fā)生巨大的變化。因此，采取一定的措施使管系的力學(xué)性能依然滿足設(shè)計(jì)要求是十分必要的。下面將對(duì)這一問題進(jìn)行探討。

1 管道數(shù)值模擬計(jì)算的基本理論

解析法和數(shù)值法是管道系統(tǒng)力學(xué)主要的分析方法。一般而言，在對(duì)簡(jiǎn)單問題求解的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)使用解析法；在一些復(fù)雜問題的求解中，通常會(huì)使用數(shù)值法來(lái)獲得近似解。由于管道具有復(fù)雜的幾何形狀，因此管道系統(tǒng)工程是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。在我國(guó)，以有限元法為基礎(chǔ)的管系應(yīng)力分析程序在固體力學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于離散化連續(xù)的管道系統(tǒng)，劃分網(wǎng)絡(luò)生成的有限元模型，建立管系幾何模型，以有限元方法來(lái)求得數(shù)學(xué)模型，是管道數(shù)值計(jì)算的基本思路。

管道力學(xué)分析的評(píng)定方法和基本過(guò)程是：①在管道系統(tǒng)內(nèi)建立幾何模型，劃分網(wǎng)絡(luò)，幾何模型逐漸生成有限元模型，確定管系的結(jié)構(gòu)、支架位置等信息是其主要內(nèi)容。②依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求確定工況具體的載荷量，考慮各種工況可增加的荷載，并根據(jù)每種工況下管系的變形、應(yīng)力等計(jì)算各工況所承受的力、力矩及閥門的加速度。③組合計(jì)算結(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)應(yīng)力，審核管系自身是否失效。依據(jù)對(duì)接管載荷、閥門加速度等的核對(duì)確定其他結(jié)構(gòu)受管道系統(tǒng)作用力的大小，并通過(guò)力學(xué)來(lái)分析核對(duì)結(jié)果，及時(shí)修改不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的管道系統(tǒng)力學(xué)性能，改變支架功能類型和布置位置等，然后再進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，直到管系力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 阻尼器削減的原理和方法

由于受多種因素的影響，比如地震、流體動(dòng)力的內(nèi)部激勵(lì)等，管道系統(tǒng)很可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)性位移，進(jìn)而導(dǎo)致管道系統(tǒng)過(guò)大的應(yīng)力和變形。一般情況下，一方面為了使管道系統(tǒng)的剛度更大些，另一方面為了減少外載荷作用下的振動(dòng)位移，可以設(shè)置剛性支架約束管道。剛性支架約束管道的設(shè)置不僅可以有效地降低管道的應(yīng)力，還可以減少管系變形狀況的發(fā)生。但是，剛性支架在使用的過(guò)程中也有一定的缺陷，比如剛性支架不利于釋放熱膨脹位移，一旦工況的溫度較高，就很容易產(chǎn)生較大的支架反力和熱應(yīng)力，進(jìn)而使得管系的力學(xué)性能不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。本文根據(jù)具體的工作實(shí)踐，總結(jié)出以下方法和步驟，以削減管系中的阻尼器：①計(jì)算得出初始管系模型，探究在一定的動(dòng)載荷作用下，阻尼器支撐點(diǎn)的熱位移和阻尼器所承受的力，然后根據(jù)探究結(jié)果，直接去除支撐力較小的阻尼器，或是用剛性支架直接代替支撐點(diǎn)位移較小且支撐力較大的阻尼器。②分析探究阻尼器削減后的管系模型，了解支架承載的狀況和產(chǎn)生最大應(yīng)力的負(fù)載量。當(dāng)熱位移較大時(shí)，釋放約束。循環(huán)“計(jì)算—分析—修改支架設(shè)計(jì)”這一過(guò)程，直至管道力學(xué)性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)置的目標(biāo)，有效削減在核電廠管道中阻尼器的數(shù)量，而不影響管道系統(tǒng)力學(xué)性能的正常發(fā)揮。

3 核級(jí)管系中的阻尼器削減

3.1 計(jì)算模型描述

管系模型中的基本參數(shù)為：管內(nèi)流體均為水，大、小管道的直徑分別為400 mm和100 mm，管道的壁厚分別為16.66 mm和11.13 mm；管系抗地震能力為2級(jí)，管系中閥門質(zhì)量分別為115 kg和9 kg。

3.2 計(jì)算過(guò)程與結(jié)果分析

在各工況下，管系中最大應(yīng)力處的應(yīng)力比值小于1，設(shè)計(jì)允許值大于接管荷載。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管系中的最大應(yīng)力比值大于1時(shí)，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是不合格的。因此，為了使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該使用復(fù)雜管道應(yīng)力分析中的支吊架布置方法。為了合理地修改部分支吊架，應(yīng)充分考慮地震荷載作用。因此，在某種程度上，需要對(duì)地震荷載作用下的管道變形進(jìn)行合理的分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，合理地設(shè)置接管載荷、閥門加速度和最大應(yīng)力比值。

4 結(jié)論

綜上所述，本文分析總結(jié)了數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的核級(jí)管系中阻尼器削減的方法，采用了數(shù)值模擬的計(jì)算方法，分析了管道系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力和支吊架反力。通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)與修正，找到了能夠削減阻尼器的方法，并且能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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〔編輯：劉曉芳〕