蒸汽發(fā)生器管束支撐結(jié)構(gòu)對傳熱管完整性的影響分析

崔素文，楊芝棟，任紅兵

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東深圳 518172)

0 引言

為了支撐蒸汽發(fā)生器(SG)傳熱管、抑制管束的流致振動(FIV)并避免由流致振動引起的不可接受的微振磨損，在管束直管段和彎管段上均設(shè)置了支撐結(jié)構(gòu)，以保證傳熱管在壽期內(nèi)的完整性。在文獻(xiàn)[1]中，已經(jīng)論述了彎管區(qū)支撐結(jié)構(gòu)對傳熱管完整性的影響，本文針對管束直段支撐結(jié)構(gòu)對管束完整性的影響進(jìn)行分析。

常見的壓水堆核電機組蒸汽發(fā)生器傳熱管直管段的支撐結(jié)構(gòu)主要有梅花孔支撐板和柵格支撐板，其結(jié)構(gòu)見圖1。國內(nèi)大多數(shù)核電機組(包括M310系列、EPR以及AP1000機組)均采用了梅花孔支撐板，而某華龍一號堆型的蒸汽發(fā)生器采用了柵格支撐板。

管束支撐結(jié)構(gòu)對傳熱管的完整性有著至關(guān)重要的影響。本文以某核電廠參數(shù)為輸入，分析上述兩種常見管束支撐結(jié)構(gòu)對傳熱管完整性的影響。

1 管束熱工水力性能影響的分析

1.1 通透性

管束支撐結(jié)構(gòu)的通透性直接影響其熱工水力行為，如局部阻力系數(shù)、間隙換熱、蒸干、泥渣沉積、蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率等。傳熱管與支撐結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)和流通面積大小決定了其通透性。

圖1 常見的蒸汽發(fā)生器管束支撐結(jié)構(gòu)

早期的蒸汽發(fā)生器設(shè)計中，傳熱管與支撐板是環(huán)接觸，導(dǎo)致傳熱管與支撐板之間的間隙容易被堵塞，形成凹痕等傳熱管缺陷，甚至出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象。目前，傳熱管與梅花孔支撐板的接觸均為平接觸(見圖2)，這種平接觸使得傳熱管與管束支撐之間的流道變得開放，二回路的汽水混合物可方便地進(jìn)出間隙，間隙換熱得以順利進(jìn)行，大大地避免了蒸干的可能性。

圖2 傳熱管與支撐結(jié)構(gòu)的接觸形式

在相同的管間距/直徑(P/D)下，分別對梅花孔支撐板和柵格支撐板進(jìn)行研究，得出如下結(jié)果。

(1)當(dāng)P/D從1.3逐漸增大到1.5時，梅花孔支撐板的通透性不斷降低，如圖3所示。

(a)梅花孔支撐板流通面積示意 (b)梅花孔支撐板通透比與P/D的關(guān)系

圖4 柵格支撐板的通透性分析

(2)由于本文所研究的柵格支撐板采用了高低不同的柵格條分層錯落搭配的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得傳熱管在每層?xùn)鸥裰伟迳吓c高/低柵格條的接觸最多不超過3處，因此其通透性遠(yuǎn)優(yōu)于梅花孔支撐板，如圖4所示。

1.2 流場特性

利用CFD軟件，對梅花孔支撐板和柵格支撐板的流場(包括速度、壓力、阻力系數(shù)等)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)如下情況。

(1)梅花孔支撐板入口處有較高的局部流速(速度突變)，而柵格支撐板入口處的流速變化相對較小，如圖5所示。

圖5 管束支撐板的流速云圖

(2)梅花孔支撐板的局部阻力相比柵格支撐板大，導(dǎo)致采用梅花孔支撐板的蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率(3左右)遠(yuǎn)小于采用柵格支撐板的蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率(5左右)，如圖6所示。

圖6 管束支撐板的壓力云圖

因此，采用柵格支撐板的蒸汽發(fā)生器管束出口蒸汽濕度較大，需配置高性能的汽水分離裝置，以確保出口蒸汽濕度滿足要求。

(3)柵格支撐板的通透性好，泥渣不易沉積，而梅花孔支撐板在上下表面存在相對的流動速度較小的區(qū)域，即出現(xiàn)流滯區(qū)(見圖7)。同時，局部壓降引起的閃蒸也促使雜質(zhì)黏附到壁面上[2]，因此容易出現(xiàn)泥渣沉積。核電廠運行經(jīng)驗反饋也表明，泥渣會沉積在梅花孔支撐板和傳熱管的表面上(見圖8)。由于泥渣的沉積，會出現(xiàn)傳熱管凹痕等降質(zhì)現(xiàn)象[3-4]。

圖7 梅花孔支撐板上下表面的流滯區(qū)

圖8 梅花孔支撐板上的泥渣沉積

1.3 間隙換熱特性

在傳熱管與管束支撐之間的間隙中存在流體，且這些流體會與傳熱管內(nèi)的一回路流體進(jìn)行熱量交換。在間隙較小且含汽率較高的地方液膜很薄，易被撕破，導(dǎo)致傳熱惡化，即蒸干。反復(fù)的蒸干及再潤濕過程，會導(dǎo)致傳熱管局部區(qū)域出現(xiàn)疲勞，進(jìn)而破壞傳熱管的完整性。

試驗研究表明，支撐板的形狀是導(dǎo)致蒸干的主要誘因，在相同的熱工參數(shù)下，圓孔支撐板發(fā)生蒸干的概率要大于梅花孔支撐板發(fā)生蒸干的概率[5]；而柵格支撐板阻力小，循環(huán)倍率大，濕度大，基本不存在蒸干的風(fēng)險。對梅花孔支撐板間隙換熱現(xiàn)象進(jìn)行試驗研究后發(fā)現(xiàn)：梅花孔支撐板在蒸汽發(fā)生器管束平均運行參數(shù)范圍(管束干度在0.2～0.6，熱流密度小于300 kW/m2)內(nèi)一般不會出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，如圖9所示。但是由于梅花孔支撐板與傳熱管之間的間隙十分狹小，不排除在局部高空泡份額區(qū)域出現(xiàn)蒸干的風(fēng)險。

圖9 梅花孔支撐板蒸干試驗結(jié)果

2 管束流致振動性能影響的分析

漩渦脫落、湍流以及流湍不穩(wěn)定是在受橫向速度的管束中常見的三種流致振動的機理[6]，如圖10所示。

圖10 管束流致振動機理

對于目前常用的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(結(jié)構(gòu)及運行參數(shù))，流湍不穩(wěn)定是最大的威脅，因此本文僅分析兩種管束支撐結(jié)構(gòu)對流湍不穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)Connors準(zhǔn)靜態(tài)模型[7]，開展傳熱管的流致振動分析，判斷運行期間傳熱管是否會發(fā)生流彈失穩(wěn)。目前工程通用的流體彈性不穩(wěn)定準(zhǔn)則為：

Un/Ucn<0.75

(1)

式中Un——傳熱管間的有效激勵流體速度；

Ucn——臨界橫向流動速度。

臨界速度的評估模型是基于準(zhǔn)靜態(tài)力的Connors模型[7]。臨界速度的表達(dá)式如下：

(2)

式中β——Connors系數(shù)，取決于管束的形式和流體的形式，可根據(jù)文獻(xiàn)[7]查得；

fn——傳熱管第n階固有頻率，Hz；

D——傳熱管外直徑，mm；

m0——單位長度的傳熱管參考質(zhì)量，kg；

ξn——傳熱管第n階模態(tài)的阻尼比，其值是基于實體模型試驗結(jié)果得到[8-9]；

ρ0——二次側(cè)流體的參考密度，kg/m3。

按如下關(guān)系式計算出有效激勵速度：

(3)

式中ρ(x)——沿橫坐標(biāo)x的密度，kg/m3；

v(x)——沿橫坐標(biāo)x的垂直于傳熱管的速度，m/s；

φn(x)——沿橫坐標(biāo)x的第n階模態(tài)的振型；

m(x)——沿橫坐標(biāo)x的當(dāng)量質(zhì)量。

每階模態(tài)的fn和φn(x)值由模態(tài)分析計算得到，而ρ(x)和v(x)值由熱工水力計算得出。采用專業(yè)流致振動分析軟件，對兩種支撐結(jié)構(gòu)的管束進(jìn)行建模(見圖11)，開展流致振動分析。

計算結(jié)果表明，采用梅花孔支撐板的管束，其流湍不穩(wěn)定率(Un/Ucn)在0.4左右，而采用柵格支撐板的管束的流湍不穩(wěn)定率在0.7左右。雖然兩者的流湍不穩(wěn)定率均小于0.75，但是梅花孔支撐板管束的流湍不穩(wěn)定率更低，這主要是因為：采用柵格支撐板的管束，相對于梅花孔支撐板，其通透性好，管束內(nèi)流體密度和速度相對較大，因此流動激勵力(ρv2)相對較大，有效激勵流體速度(Un)相對較大。

圖11 管束流致振動分析模型

3 結(jié)語

以兩種常見的蒸汽發(fā)生器管束支撐結(jié)構(gòu)(梅花孔支撐板和柵格支撐板)為例，對管束支撐結(jié)構(gòu)對傳熱管完整性的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

(1)梅花孔支撐板的通透性相對較差，且在上下表面局部區(qū)域內(nèi)存在流滯區(qū)，易導(dǎo)致泥渣沉積，在局部高空泡份額的區(qū)域內(nèi)存在蒸干風(fēng)險，但其發(fā)生流湍失穩(wěn)的傾向性較低；

(2)柵格支撐板的通透性好，流通阻力小，不易出現(xiàn)泥渣沉積和蒸干現(xiàn)象，但管束內(nèi)流體密度和速度相對較大，發(fā)生流湍失穩(wěn)的有效激勵速度較大，發(fā)生流湍失穩(wěn)的傾向性較高。

目前，這兩種管束支撐結(jié)構(gòu)在核電廠中均有成熟應(yīng)用，但后續(xù)設(shè)計中應(yīng)注意以下方面。

(1)梅花孔支撐板應(yīng)以降低阻力作為其改進(jìn)方向，并控制管束內(nèi)空泡份額的分布，避免因局部空泡份額較高導(dǎo)致蒸干及流致振動問題。

(2)采用柵格支撐板的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計重點是熱工設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的適配性，即嚴(yán)格控制傳熱管的流動激勵力(ρv2)，以避免發(fā)生流湍失穩(wěn)。