蒸汽發(fā)生器單根傳熱管振動(dòng)特性試驗(yàn)和分析

朱 勇，任紅兵，趙 博,姚博維，劉 攀,馬文慧

(1.中廣核工程有限公司 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518172；2.中廣核研究院有限公司，廣東深圳 518172)

0 引言

由于存在高流速的管外橫向流體作用，蒸汽發(fā)生器管束彎管區(qū)是過(guò)量流致振動(dòng)發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域[1-3]。對(duì)單根傳熱管彎管區(qū)域振動(dòng)特性的研究，是進(jìn)行蒸汽發(fā)生器傳熱管流致振動(dòng)分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[4-6]。

在對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管流致振動(dòng)分析時(shí)，通常認(rèn)為傳熱管在防振條和支撐板位置的支撐均為有效支撐，將支撐板支撐位置簡(jiǎn)化為約束垂直傳熱管軸線兩個(gè)位移方向的簡(jiǎn)支；將防振條支撐位置簡(jiǎn)化為約束彎管面外和彎曲徑向面內(nèi)兩個(gè)位移方向的簡(jiǎn)支[7-9]。通過(guò)試驗(yàn)可研究防振條支撐間隙對(duì)振動(dòng)特性的影響，驗(yàn)證支撐板支撐有效性和邊界條件假設(shè)，掌握傳熱管彎管區(qū)支撐有效性的臨界間隙條件[10-11]，驗(yàn)證在設(shè)計(jì)最大間隙內(nèi)防振條位置的支撐有效性和邊界條件假設(shè)。

通過(guò)試驗(yàn)獲得單根傳熱管在不同環(huán)境工況(管內(nèi)外充水、管內(nèi)壓力)[12]、不同磨損狀態(tài)(彎管位置無(wú)磨損和正常磨損)下的振動(dòng)特性，有助于研究附加水質(zhì)量、管內(nèi)外壓差、正常磨損等因素對(duì)傳熱管振動(dòng)特性的影響，更為全面地掌握傳熱管在服役環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性。

1 試驗(yàn)裝置及測(cè)量

1.1 試驗(yàn)裝置

單根傳熱管振動(dòng)特性試驗(yàn)裝置包括大鋼板、焊接板、防振條調(diào)節(jié)裝置、梅花孔支撐板、管板、蓋板、密封裝置以及激振裝置等，試驗(yàn)裝置如圖1所示，為減少試驗(yàn)測(cè)量時(shí)試驗(yàn)裝置本身振動(dòng)帶來(lái)的影響，整個(gè)試驗(yàn)裝置安裝在一塊剪力墻上。整個(gè)傳熱管管外區(qū)域可實(shí)現(xiàn)充水，管內(nèi)可通過(guò)閥門充水和打壓。防振條調(diào)節(jié)裝置通過(guò)螺栓可調(diào)節(jié)防振條模擬板和傳熱管之間的間隙，為試驗(yàn)提供不同工況下的邊界條件。

圖1 單根傳熱管振動(dòng)特性試驗(yàn)裝置

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)采用三軸加速度傳感器，通過(guò)輔助工裝套安裝在管外測(cè)點(diǎn)位置。三軸加速度傳感器可以測(cè)量3個(gè)方向的加速度信號(hào)，試驗(yàn)時(shí)采取激振器分別在傳熱管面內(nèi)和面外方向進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)三軸加速度傳感器拾取面內(nèi)和面外方向信號(hào)，將信號(hào)傳輸?shù)絃MS數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集得到的直接物理量有兩種，一種是通過(guò)阻抗頭測(cè)量得到的系統(tǒng)輸入激勵(lì)力的時(shí)域信號(hào)；一種是通過(guò)加速度傳感器測(cè)量得到的系統(tǒng)輸出加速度響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)。對(duì)于每組采集到的兩種傳感器信號(hào)，經(jīng)LMS后處理模塊處理后，得到其對(duì)應(yīng)的FRF頻響曲線，將頻響曲線FRF導(dǎo)入LMS模態(tài)分析模塊進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而得到傳熱管的固有頻率、振型。

2 模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)間隙下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.1 數(shù)值計(jì)算模型和邊界條件介紹

在進(jìn)行傳熱管振動(dòng)特性和流致振動(dòng)分析時(shí)，傳熱管通常使用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，管內(nèi)水全部作為附加質(zhì)量附加在梁?jiǎn)卧?。?duì)于管外附加水質(zhì)量，按照ASME附錄表N-1311-1選取。傳熱管在支撐板處的邊界條件為約束垂直于傳熱管軸線方向的兩個(gè)位移自由度；傳熱管在管板位置為固定支撐；在防振條處的邊界條件可以簡(jiǎn)化為約束傳熱管面外和沿著彎管半徑兩個(gè)方向的位移自由度。按照以上建模方法，得到傳熱管振動(dòng)特性有限元分析模型如圖2所示。

圖2 傳熱管振動(dòng)特性分析有限元模型及邊界條件

2.2 分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

在管內(nèi)外均是充水環(huán)境、防振條全部支撐均為設(shè)計(jì)直徑間隙條件下，傳熱管模擬計(jì)算(模擬計(jì)算時(shí)邊界條件采用簡(jiǎn)支條件)和試驗(yàn)得到的前12階頻率及振型對(duì)比見表1。

表1 傳熱管振動(dòng)特性模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1可以看出，傳熱管振型分為面內(nèi)對(duì)稱、面外對(duì)稱、面內(nèi)反對(duì)稱以及面外反對(duì)稱4種類型；由于防振條位置支撐點(diǎn)多且自由跨距小，以彎管段為主的振型主要發(fā)生在高階，而由于直管段自由跨距大，低階頻率表現(xiàn)為以直管段振型為主；傳熱管模擬計(jì)算得到的各階頻率與試驗(yàn)得到的最大誤差為8.54%，在工程誤差允許范圍內(nèi)，表明處于設(shè)計(jì)名義間隙范圍內(nèi)的傳熱管邊界條件可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 管內(nèi)外充水對(duì)傳熱管振動(dòng)頻率的影響

試驗(yàn)的環(huán)境工況分為管內(nèi)管外均空氣，管內(nèi)充水、管外空氣以及管內(nèi)外均充水，3種環(huán)境工況下測(cè)得的面內(nèi)模態(tài)頻率如圖3所示，測(cè)得的面外模態(tài)頻率如圖4所示。

圖3 不同環(huán)境工況下傳熱管的面內(nèi)振動(dòng)頻率

圖4 不同環(huán)境工況下傳熱管的面外振動(dòng)頻率

由圖3，4可以看出，管內(nèi)充水、管外空氣環(huán)境下的傳熱管各階面內(nèi)及面外的固有頻率與管內(nèi)外均空氣環(huán)境下的固有頻率相比出現(xiàn)下降，說(shuō)明傳熱管在振動(dòng)時(shí)，管內(nèi)水對(duì)傳熱管振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于對(duì)剛度的影響，在分析時(shí)需考慮管內(nèi)水的附加水質(zhì)量；而管內(nèi)外均充水環(huán)境下傳熱管的各階頻率又低于管內(nèi)水管外空氣環(huán)境下的各階頻率，說(shuō)明在傳熱管振動(dòng)分析中，應(yīng)考慮管外附加水質(zhì)量。

3.2 管內(nèi)充壓對(duì)傳熱管振動(dòng)特性的影響

通過(guò)設(shè)置在傳熱管底部的閥門對(duì)傳熱管進(jìn)行充水打壓，研究傳熱管管內(nèi)壓力對(duì)振動(dòng)頻率的影響，如圖5所示。傳熱管的前4階面內(nèi)和面外頻率所在模態(tài)是直管振型模態(tài)，可以看出，前4階頻率在管內(nèi)無(wú)壓和加壓情況下不發(fā)生改變，表明管內(nèi)壓力對(duì)傳熱管直管段振動(dòng)特性無(wú)影響；在以彎管振型為主的后6階模態(tài)中，由于管內(nèi)加壓使傳熱管彎管段剛度加強(qiáng)，導(dǎo)致傳熱管管內(nèi)加壓工況下后6階頻率略高于管內(nèi)無(wú)壓工況。這種頻率增大在面內(nèi)模態(tài)上表現(xiàn)得更為明顯，但是總體上沒有對(duì)傳熱管彎管段振動(dòng)特性產(chǎn)生較大影響。

圖5 管內(nèi)有無(wú)壓力工況下傳熱管的振動(dòng)頻率

3.3 支撐間隙對(duì)傳熱管振動(dòng)特性的影響

應(yīng)用防振條調(diào)節(jié)裝置對(duì)防振條處的支撐間隙進(jìn)行調(diào)整，主要考慮如下支撐間隙工況：(1)所有支撐間隙為0間隙；(2)所有間隙為設(shè)計(jì)間隙；(3)單個(gè)支撐間隙為變間隙，其余間隙為設(shè)計(jì)間隙；(4)連續(xù)兩個(gè)支撐間隙為變間隙，其余為設(shè)計(jì)間隙。得到各個(gè)支撐工況下面內(nèi)和面外前8階頻率，如圖6，7所示。

圖6 傳熱管在各個(gè)支撐間隙工況下的面內(nèi)頻率

由圖6可以看出，以直管振型為主的面內(nèi)前4階頻率不受防振條位置支撐間隙值調(diào)整的影響；隨著支撐間隙的增大，以彎管振型為主的面內(nèi)后4階振動(dòng)頻率下降，表明支撐間隙的增大導(dǎo)致傳熱管彎管段支撐剛度減弱；當(dāng)連續(xù)兩個(gè)支撐間隙值大于0.13 mm時(shí)，彎管振型為主的面內(nèi)1階振動(dòng)頻率大幅下降，說(shuō)明此時(shí)傳熱管彎管段面內(nèi)支撐開始出現(xiàn)失效，傳熱管彎管段出現(xiàn)過(guò)量流致振動(dòng)和失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)開始增加，防振條設(shè)計(jì)及制造時(shí)應(yīng)避免大于此間隙條件的情況發(fā)生。

圖7 傳熱管在各個(gè)支撐間隙工況下的面外頻率

對(duì)于面外振動(dòng)頻率，由圖7可以看出，傳熱管在各個(gè)支撐間隙工況下，以直管振型為主和以彎管振型為主的頻率均不受間隙調(diào)整的影響，可以認(rèn)為在單個(gè)支撐間隙為0～0.7 mm、連續(xù)兩個(gè)支撐間隙為0～0.7 mm范圍內(nèi)，傳熱管彎管段面外支撐不會(huì)發(fā)生失效。

3.4 正常磨損對(duì)傳熱管振動(dòng)特性的影響

傳熱管在役期間會(huì)與防振條發(fā)生微動(dòng)磨損，根據(jù)在役檢查經(jīng)驗(yàn)反饋，傳熱管在正常流致振動(dòng)情況下到壽期末磨損深度一般為壁厚的15%左右。

圖8 傳熱管磨損工況現(xiàn)場(chǎng)

為研究傳熱管在正常磨損狀態(tài)下的振動(dòng)特性，全面掌握傳熱管在役振動(dòng)狀態(tài)，在與防振條接觸位置的傳熱管模擬件上，人為構(gòu)造名義壁厚15%左右的磨損，如圖8所示。傳熱管在磨損和無(wú)磨損狀態(tài)下的面內(nèi)外振動(dòng)頻率如圖9所示?？梢钥闯觯瑐鳠峁芊勒駰l位置出現(xiàn)正常磨損時(shí)與無(wú)磨損傳熱管振動(dòng)頻率基本一致，可判斷傳熱管的正常磨損不會(huì)影響振動(dòng)特性，對(duì)在役磨損傳熱管進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，不需考慮傳熱管磨損減薄這一因素。

圖9 傳熱管磨損和無(wú)磨損狀態(tài)下的頻率

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在進(jìn)行傳熱管振動(dòng)特性和流致振動(dòng)分析時(shí)，傳熱管支撐板位置邊界條件可以簡(jiǎn)化為約束垂直于傳熱管軸線方向兩個(gè)位移自由度的簡(jiǎn)支，在防振條位置的邊界條件可以簡(jiǎn)化為約束面外和面內(nèi)沿彎管半徑方向兩個(gè)位移自由度的簡(jiǎn)支。

(2)管內(nèi)充水和管外充水均會(huì)影響傳熱管振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量項(xiàng)，而對(duì)傳熱管振動(dòng)系統(tǒng)的剛度項(xiàng)影響甚微，這就導(dǎo)致充水工況下傳熱管振動(dòng)頻率下降。

(3)管內(nèi)充壓條件下，以彎管振型為主的傳熱管高階面內(nèi)振動(dòng)頻率略有增大，但是對(duì)傳熱管整體振動(dòng)特性不產(chǎn)生較大影響。

(4)傳熱管在單個(gè)支撐間隙為0～0.7 mm、連續(xù)兩個(gè)支撐間隙為0～0.7 mm范圍內(nèi)在彎管段不會(huì)發(fā)生防振條面外支撐失效；但是在連續(xù)兩個(gè)支撐間隙大于0.13 mm時(shí)，會(huì)發(fā)生防振條面內(nèi)支撐失效，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，應(yīng)對(duì)傳熱管防振條處的支撐間隙進(jìn)行嚴(yán)格限制。