蒸汽發(fā)生器防振條錯位問題的探討

韓同行，姜 峰，莫少嘉

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518172)

0 引言

國內(nèi)某核電廠4號機組蒸汽發(fā)生器(SG)在進行役前渦流檢查(ECT)時，發(fā)現(xiàn)防振條(AVB)存在偏移現(xiàn)象，之后對在建、在運機組進行大規(guī)模排查，又發(fā)現(xiàn)多臺機組存在此類防振條偏移的情況。同時在排查中也發(fā)現(xiàn)部分在運、在建機組中存在防振條錯位，防振條偏移或者錯位會導致傳熱管在役期間磨損加劇，給核電站安全運行帶來風險，國內(nèi)已經(jīng)有針對防振條偏移現(xiàn)象對傳熱管影響的相關研究[1-2]，但防振條錯位對傳熱管的影響尚未有相關研究。

在55/19B型蒸汽發(fā)生器防振條設計中，并沒有明確地針對防振條錯位的設計限制要求，但通過防振條的張開角度、對稱度、下插深度及防振條與傳熱管搭接量等設計要求及嚴格的制造工藝控制，理論上可以防止防振條錯位發(fā)生。然而，實際制造過程中仍存在多種可能，會引起防振條錯位現(xiàn)象的發(fā)生。

國內(nèi)蒸汽發(fā)生器役前以及在役檢查還沒有針對防振條錯位的檢查要求，但防振條錯位會引起蒸汽發(fā)生器二次側局部流場的變化及傳熱管磨損的加速，美國西屋公司和法國阿?，m公司對防振條的錯位問題都專門開展過相關研究。因此有必要對蒸汽發(fā)生器防振條錯位問題進行分析研究，為防振條錯位問題處理提供技術依據(jù)，為防振條設計及制造改進提供參考。

1 防振條錯位描述

1.1 防振條作用

為增加蒸汽發(fā)生器傳熱管剛度，提高傳熱管固有頻率，以降低傳熱管束流致振動及磨損水平，55/19B型蒸汽發(fā)生器傳熱管直段設置9塊管子支撐板，彎管區(qū)設置3組防振條(見圖1)。直管段通過管子支撐板上的四葉梅花孔支承，彎管區(qū)通過兩側的防振條支承(見圖2)[3]。傳熱管與防振條之間并不直接接觸，通過固定環(huán)將每組防振條連接為一個整體，避免防振條之間產(chǎn)生相對運動。在實際運行中，每根傳熱管與防振條之間是多點接觸，通過接觸作用對彎管區(qū)提供支承。

圖1 傳熱管支承結構示意Fig.1 Schematic structural diagram of tube support system

圖2 管子支撐板及防振條對傳熱管支撐結構示意Fig.2 Schematic diagram of tube support plate and AVBfor support structure of heat transfer tube

1.2 錯位的定義

理論狀態(tài)下，一根傳熱管兩側的防振條支撐位于傳熱管同一位置處(見圖3(a))，防振條錯位后支撐位置將不在傳熱管同一位置處(見圖3(b))。按照當前檢測技術，當錯位量達大于6 mm，使用BOBBIN探頭進行渦流檢查時，將會顯示2個波峰信號(無防振條錯位情況下，只有一個波峰信號)，錯位量可以通過2個波峰信號推算出來[4]。

(a) (b)圖3 防振條錯位示意Fig.3 Schematic diagram of AVB misalignment

2 防振條錯位原因分析

防振條安裝后，采用工裝臨時固定，之后焊接固定環(huán)、固定環(huán)卡[5]。防振條組件最終裝配完成后，還有水室封頭環(huán)焊縫焊接、最終環(huán)焊縫焊接、水壓試驗后余量機加等主要環(huán)節(jié)。防振條安裝過程控制不到位(對稱度、下插深度、張開角度等)或者防振條裝配后的工序操作中有異常外力作用，使防振條局部移動等，均可能會導致防振條錯位現(xiàn)象。

2.1 防振條張角

三組防振條分別有不同的張角(見圖4)。

圖4 防振條張開角度不同導致的錯位示意Fig.4 Schematic diagram of misalignment caused bydifferent AVB opening angles

同一組防振條中相鄰的兩根防振條因為張開角度不同，可能導致渦流檢測中錯位信號的出現(xiàn)，會呈現(xiàn)如下特點：(1)沿管束由下到上錯位量不斷增加；(2)防振條所對應的跨距不同；(3)目視檢查中會發(fā)現(xiàn)防振條端部的交錯、固定環(huán)局部變形的現(xiàn)象。

2.2 防振條對稱度

防振條的安裝需要控制對稱度(見圖5)，對稱度的不同也可能導致渦流檢測中錯位信號的出現(xiàn)，會呈現(xiàn)如下特點：(1)沿管束由下到上錯位量不斷增加；(2)目視檢查中會發(fā)現(xiàn)防振條端部的交錯現(xiàn)象，固定環(huán)局部變形。

圖5 對稱度不同導致的錯位示意Fig.5 Schematic diagram of misalignment caused bydifferent degree of AVB symmetry

國內(nèi)某機組蒸汽發(fā)生器在制造廠曾檢查出對稱度控制基準與管束安裝基準不一致,而導致防振條錯位發(fā)生的情況。

2.3 防振條下插深度

防振條下插深度不同(見圖6)，同樣可能導致渦流檢測中錯位信號出現(xiàn)，呈現(xiàn)如下特點：(1)沿管束由下到上錯位量不斷減少；(2)目視檢查中會發(fā)現(xiàn)AVB端部高度上不齊平。

圖6 下插深度不同導致的錯位Fig.6 Schematic diagram of misalignment caused bydifferent AVB insertion depths

2.4 運輸、吊裝及安裝

為了研究SG從出廠到現(xiàn)場安裝完畢后狀態(tài)的變化以及運輸、吊裝過程中的加速度是否會導致防振條位置的錯位，對某制造廠內(nèi)已發(fā)現(xiàn)防振條錯位的SG進行現(xiàn)場復查，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場防振條下插深度趨勢與制造廠內(nèi)下插深度趨勢一致，且現(xiàn)場防振條下插深度相對于制造廠更深一點，變化量基本保持一致。但是此時防振條整體下移，并未導致防振條錯位情況的惡化，圖7所示數(shù)據(jù)為第二組防振條C13列不同行的防振條下插深度。

圖7 運輸、吊裝及安裝對錯位的影響Fig.7 Influence of misalignment caused by steam generatortransport,handling and installation

2.5 小結

實際情況中，防振條錯位是多種原因疊加作用造成的。比如相鄰的兩根防振條在安裝過程中上下位置沒有完全一致，與此同時左右位置也未完全一致，且在制造廠防振條裝配期間以及現(xiàn)場安裝防振條并未完全固定，會發(fā)生一定的位置變化，這些都會對防振條錯位情況產(chǎn)生影響，一定量的防振條錯位是普遍存在的。防振條錯位強調(diào)的是相鄰防振條之間位置關系，倘若兩根防振條同時位置向下或同時向一側偏移，這兩根防振條之間就沒有錯位，這一點不同于防振條的偏移或者防振條下插深度的不同[1-2]。

3 防振條錯位計算

在制造過程中，防振條位置控制得不精準以及防振條自身設計的非固定特性，使得在防振條安裝過程中以及后續(xù)的其他制造環(huán)節(jié)中，會因外力作用發(fā)生位置變化，這些因素的綜合作用最終可以通過蒸汽發(fā)生器役前或者在役渦流檢查發(fā)現(xiàn)，單純的防振條錯位信息并不能夠作為分析評價的輸入，但是防振條的錯位可以通過轉化為防振條的下插深度進行分析評估。

根據(jù)防振條、傳熱管的設計尺寸信息以及渦流檢查中讀取的防振條與傳熱管相交位置，可以將發(fā)生錯位防振條位置轉化為防振條下插深度，具體轉化過程如下。

首先通過渦流探測技術(BOBBIN探頭)對特定列的不同行的防振條位置進行測量[6-7]，如對于第一組防振條的錯位，可以對C3列的不同行的防振條位置數(shù)據(jù)進行分析；對于第二組防振條錯位，可以對C13列的不同行的防振條位置數(shù)據(jù)進行分析；對于第三組防振條錯位，可以對C24列的不同行的防振條位置數(shù)據(jù)進行分析，防振條的位置信息如圖8所示的AVB1～6。

圖8 防振條位置信息Fig.8 Information of AVB positions

當防振條與傳熱管相交的點位于防振條的彎曲管段時(見圖9(a))，使用如下公式計算防振條下插深度。

式中，θ為防振條中心線與傳熱管相交中心與該傳熱管彎曲段圓心連線與防振條對稱軸線的夾角,(°);α為防振條中心線延長線與對稱軸線的夾角,(°)。

(a)

(b)圖9 下插深度計算示意Fig.9 Schematic diagram of insertion depthcalculation situation

通過以上計算將防振條錯位信息轉化為防振條下插深度，進而進行定量評價。

以上防振條下插位置計算不考慮防振條變形以及傳熱管變形，因為防振條變形以及傳熱管明顯變形可能性非常小，且傳熱管位置要求較為精確，制造控制也較為精確。

公式中“53.835”代表防振條設計位置下C3/C13/C24列下插深度，計算結果反映的是防振條相對設計位置的差值；d為正值代表防振條相比設計位置更遠離上層管子支撐板，d為負值代表防振條相比設計位置更靠近上層支撐板。

4 錯位影響的評估

4.1 錯位對二次側流場的影響

55/19B型蒸汽發(fā)生器二次側流場分析采用的是GENEPI三維穩(wěn)態(tài)熱工水力計算軟件[8-9]，該軟件在建立防振條模型時，考慮到防振條對整體流場的影響較小，將同一組防振條簡化為在一個平面進行模擬，因此當單根或者少量防振條發(fā)生錯位時，無法在三維穩(wěn)態(tài)熱工水力計算模型中體現(xiàn)，因此無法進行定量的數(shù)值模擬分析。

國外通過試驗研究，認為嚴重的下插深度不均勻會導致以下情況:(1)SG傳熱管在局部區(qū)域得不到AVB的有效支撐或支撐不充分，進而惡化相應傳熱管的流致振動；(2)局部流場突變，使得局部傳熱管流體激勵增大，進而影響管束整體振動響應水平。

嚴重的錯位對該局部區(qū)域的擾動效應是不能忽略的[2]，需要對原計算結果進行修正。但當小于以上要求時，錯位產(chǎn)生的影響很小，可忽略(見圖10)。

圖10 防振條下插深度示意Fig.10 Schematic diagram of AVB insertion depth

4.2 對傳熱管磨損的影響

對傳熱管磨損性能影響的因素主要有：傳熱管的無支撐跨距;防振條與傳熱管之間間隙;防振條是否變形、扭曲等;三維穩(wěn)態(tài)熱工水力熱工輸入?yún)?shù)。

防振條的錯位主要影響到傳熱管的無支撐跨距，需要通過傳熱管流致振動分析進行評價，錯位不影響傳熱管與防振條之間的間隙，防振條是否有變形、扭轉需要通過蒸汽發(fā)生器二次側目視檢查確認。

5 防振條錯位工程處理及經(jīng)驗反饋

對于核電項目發(fā)現(xiàn)的防振條錯位現(xiàn)象，首先確認錯位根本原因，核實是否為制造期間控制不嚴格造成的，根據(jù)錯位根本原因制定相應的改進措施；然后進行現(xiàn)場目視檢查，確定錯位的防振條及相鄰的傳熱管是否有異常，確認無異常后用渦流檢查確定錯位量，轉化為下插深度量，與錯位處理標準進行對比；而后流致振動評估，根據(jù)綜合結果制定處理措施。對于已經(jīng)運行的機組，關注發(fā)生錯位防振條兩側的傳熱管磨損量的變化。

根據(jù)國內(nèi)55/19B型蒸汽發(fā)生器防振條錯位處理經(jīng)驗及防振條安裝實踐，建議對于滿足如下要求的防振條錯位情況原樣接收。

(1)同組防振條之間下插深度差值不超過2倍的傳熱管節(jié)距；

(2)相鄰防振條之間下插深度差值不超過1倍的傳熱管節(jié)距。

如不滿足上述要求中任一條，需要從根本原因分析、現(xiàn)場檢查及三維熱工水力分析、傳熱管流致振動和磨損分析等多方面進行評估后制定處理方案。

結合在防振條錯位處理問題中的經(jīng)驗，為防止防振條錯位現(xiàn)象的發(fā)生，需要在制造廠進一步優(yōu)化制造裝配工藝，同時在蒸汽發(fā)生器出廠前進行防振條位置渦流檢查，避免現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題后難以處理。

同時為進一步降低防振條在制造或者運輸期間位置發(fā)生變化，建議在防振條整體安裝完成后使用具有臨時固定功能的裝置進行固定，運抵現(xiàn)場后拆除(見圖11)[10]。

圖11 防振條臨時固定裝置示意Fig.11 Schematic diagram of AVB temporary fixing apparatus

6 結語

由于蒸汽發(fā)生器防振條設計上的非固定特性及安裝中難以精確定位，導致蒸汽發(fā)生器完工后不可避免地出現(xiàn)防振條錯位現(xiàn)象，因此需要制造廠進一步優(yōu)化防振條工裝設計，且防振條安裝完成后增加臨時固定工裝，盡可能減小防振條在安裝中位置偏差。在防振條的設計上，也需要盡量減小防振條與傳熱管的間隙，使得防振條與傳熱管之間更緊密地接觸，以防止其發(fā)生不必要的移動，同時考慮制定從根本上防止防振條偏移或錯位的方案。

防振條錯位現(xiàn)象不可避免，但是只要滿足一定的要求，就可以對錯位的防振條原樣接收，且需要關注錯位防振條兩側的傳熱管在運行中的磨損情況。