蒸汽發(fā)生器U形管束抗振條設(shè)計

嚴新容

(中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司核設(shè)備研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430223)

1 背景

1.1 流致振動產(chǎn)生的理論機制

蒸汽發(fā)生器傳熱管振動的潛在激勵源考慮了存在于管子內(nèi)側(cè)的一次側(cè)流體、機械誘發(fā)振動和存在于管子外側(cè)的二次側(cè)流體的作用[1]。在正常運行條件下，一次側(cè)流體和機械誘發(fā)振動是可以接受的。根據(jù)分析和實驗結(jié)果，包括蒸汽發(fā)生器運行經(jīng)驗的評價表明：引起管子劣化的振動主要來自于二次側(cè)流體的激勵作用。引起蒸汽發(fā)生器傳熱管流致振動的機制包括漩渦脫落、湍流激勵和流體-彈性不穩(wěn)定性[2]。對于旋渦脫落，不規(guī)律的、遍布于大多數(shù)蒸汽發(fā)生器管束的兩相湍流是存在的，但是漩渦脫落僅存在于靠近蒸汽發(fā)生器進口接管區(qū)域內(nèi)很少的幾排外側(cè)管束部位，且此部位的管束模擬試驗表明，漩渦脫落導(dǎo)致的振動幅度很小，不足以引起管子振動。對于湍流激勵，其引發(fā)的流致振動幅值的平方根數(shù)值遠小于管子尺寸相對應(yīng)的允許值；這類振動產(chǎn)生的應(yīng)力比管材疲勞限值小兩倍，不會對管子造成不可接受的磨損，也不會對管子造成不可接受的疲勞劣化。對于流體-彈性不穩(wěn)定性，一旦其限值被超過，則流體-彈性激勵導(dǎo)致的流致振動幅值將成比例的加大對管子的拉拽，從而導(dǎo)致傳熱管發(fā)生磨損、減薄甚至破裂，影響到系統(tǒng)的安全運行。

綜上，引起蒸汽發(fā)生器U形管束振動甚至響動的主要機制為流彈不穩(wěn)定性，而克服流彈不穩(wěn)定性的關(guān)鍵是盡量提高傳熱管的自振頻率。經(jīng)驗表明：減小傳熱管無支撐跨距是一種行之有效的方法。鑒于傳熱管彎管區(qū)流體的流動最為復(fù)雜，此處傳熱管支撐的合理設(shè)計與布置顯得尤為重要。

1.2 U形管尾部支撐的兩種方法

U型管束彎管的支撐方法主要有支撐板固定法、圓鋼固定法和V形抗振條固定法[3]。支撐板固定法對管子過度支撐，局部流動阻力大；圓鋼固定法未限制管束橫向擺動；V形抗振條支撐結(jié)構(gòu)簡單，既合理地限制了管束的橫向擺動，但又不限制管束沿設(shè)備軸向的熱膨脹變形，是目前壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器U型管束彎管通用的支撐方法。

1.2.1 支撐板固定法

該方法是在U形管束尾部設(shè)置一塊或幾塊支撐板，如圖1所示，將所有換熱管彎曲部分固定在一起，從而起到支撐管子的作用。

圖1 U形管支撐板固定法

具體操作辦法是：將一塊弓形的金屬板(支撐板)按照布管圖開孔，再沿每層換熱管中心線切割成數(shù)塊條狀鋼板，安裝時，由內(nèi)向外，每安裝一排換熱管，放入一條切好的鋼板條，之后將相鄰的兩塊鋼板條在換熱管之間進行焊接，依次類推，直到最外層換熱管和鋼板條安裝完畢。需要注意的是，鋼板條安裝時的順序應(yīng)與它們在弓形板未切割之前的位置保持一致。

不難看出，支撐板固定法有以下缺點：為保證管-條裝配間隙，需要嚴格控制弓形板每條縫的切割量(一般應(yīng)控制在2 mm以下)；焊接工作量比較大，特別是管間距t較小而管子較多時；拼焊之后的新弓形板平面度很難保證；為保證弓形板剛度及焊接，鋼板厚度t≥6 mm，結(jié)構(gòu)笨重；對轉(zhuǎn)角三角形布置的管子很難實施。

1.2.2 圓鋼固定法

圓鋼固定法是在相鄰兩排U形管彎曲部分之間，并排插入2根圓鋼，在管束外將所有圓鋼用兩塊扁鋼(固定板)進行固定，從而支撐U形管。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣。其缺點是：相鄰兩排U形管之間圓鋼的插入僅對U形管沿設(shè)備軸向的變形加以約束，未采取措施防止流體對管子的橫向沖擊，而彎管支撐設(shè)計主要是為了防止管束橫向擺動幅度過大；同時，固定板與直管支撐板的焊接也不利于圓鋼軸向的自由移動，使得圓鋼容易擠壓傳熱管。為防止圓鋼產(chǎn)生變形，其直徑應(yīng)≥4 mm，對于相鄰兩排傳熱管切向距離較小的情況，應(yīng)相應(yīng)加長直管段，以便于圓鋼插入切向縫隙，從而導(dǎo)致設(shè)備重量增大和制造成本的增加。

1.2.3 V形抗振條固定法

該方法如圖2所示，抗振條組件主要有4部分組成：V形抗振條、端帽、連接環(huán)、C形固定環(huán)。

圖2 抗振條固定法

V形抗振條固定法的特點是：抗振條的支撐作用很好地抵御了流-彈不穩(wěn)定性帶來的U形管潛在的橫向擺動；換熱管沿蒸汽發(fā)生器軸向的熱膨脹變形不會被約束；抗振條V形的兩端部位置相對于最外層傳熱管保持不變，其余U形傳熱管與抗振條表面僅可能發(fā)生潛在的線性位移。

下文以一臺小型蒸汽發(fā)生器為例，說明U形管束抗振條組件設(shè)計中應(yīng)該考慮的一些重點問題。

2 抗振條組件設(shè)計的幾個關(guān)鍵

2.1 抗振條的材料選擇

設(shè)計要求作為支撐的抗振條既要保證本身的抗腐蝕性、耐高溫特性、長久可靠性，又在與換熱管線接觸時不會對換熱管產(chǎn)生磨損破壞[4]。因此需要尋找一種高溫強度較低、溫度變化劇烈時性能穩(wěn)定的不銹鋼作為抗振條材料。依照核電慣例，抗振條材料選擇405不銹鋼。

405不銹鋼(國外牌號S40500，相當于國內(nèi)的0Cr13Al不銹鋼)，具有高溫下冷卻不產(chǎn)生顯著硬化、抗沖蝕能力強等特點，常被用來制作汽輪機材料、淬火用部件等。405不銹鋼、690合金管在設(shè)計工況下的材料力學(xué)性能如表1所示。405材料較低溫度下的強度依然小于較高溫度下的690材料。這種材料的特殊強度高低配特性，符合結(jié)構(gòu)材料相容性原則。

表1 405不銹鋼和690合金管力學(xué)性能對比

2.2 抗振條的尺寸控制

2.2.1 抗振條深入管束的深度

蒸汽發(fā)生器也可以看成是一臺U型管換熱器，在GB/T 151中規(guī)定A+B+C之和不大于GB/T 151標準中表6-31規(guī)定的最大無支撐跨距[5]，如圖3所示。在確定U型管束直段支撐長度B和C的尺寸之后，可以得到A的值，因此，抗振條V形頂角應(yīng)至少深入到彎管半徑R=A/2的管子以下。一般考慮690合金傳熱管壁厚較薄，建議R保守取值，抗振條V形頂部再向下推5排管子的距離。

圖3 U形管支撐位置

考慮抗振條頂部棱角可能對附近的傳熱管造成潛在的磨損，應(yīng)使正常運行工況下抗振條V形頂部截面中心與附近傳熱管中心在同一水平面上。設(shè)計時主要考慮傳熱管在正常運行工況下沿筒體軸向的熱變形量，抗振條在最外層傳熱管附近被約束，經(jīng)計算得到抗振條頂端相對于附近傳熱管軸向熱膨脹距離約1 mm，因此抗振條頂端在裝配時插入深度應(yīng)至少低于附近傳熱管1 mm，如圖4所示。

圖4 室溫下的抗振條位置

2.2.2 抗振條的厚度

在蒸汽發(fā)生器正常運行工況下，考慮傳熱管和抗振條受熱后的熱膨脹變形量。此時抗振條與傳熱管之間的理想間隙為0，因此抗振條厚度應(yīng)為傳熱管列與列之間的切向距離t減去傳熱管和抗振條在熱態(tài)運行時的熱膨脹量，即得到抗振條的厚度。

另外，由于換熱管外徑偏差會影響換熱管切向距離，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)傳熱管的平均制造工藝水平適當增加或減少抗振條的厚度，并嚴格控制抗振條本身的加工精度。

2.3 抗振條的固定

V形抗振條插入相鄰U形管間隙(或在裝配彎每一列換熱管后，放入抗振條)，在抗振條兩邊的端部設(shè)置端帽，端帽與抗振條通過螺紋或者在抗振條端部附近前后鐓壓4個“突起”限位，如圖2所示，連接環(huán)與每一個端帽焊接，C形固定環(huán)斜著深入管束內(nèi)并露出兩小直邊，兩個直邊分別于連接環(huán)焊接。這樣抗振條就被束縛在管束縫隙里，而兩者又不互相拉扯對方。

2.4 抗振條棱角倒圓處理與表面粗糙度控制

為避免抗振條的棱角在裝配時劃傷管子或運行時割破U形管，抗振條所有銳角應(yīng)全部倒圓。為保證線接觸時抗振條減小對U形管的摩擦，抗振條應(yīng)做拋光處理，并嚴格控制與管子接觸位置表面粗糙度在Ra 1.6 μm以下。

3 抗振條制造、安裝和運輸要求

制造過程中，應(yīng)特別注意控制抗振條的加工精度，主要包括抗振條的表面粗糙度、厚度、平面度和張角尺寸；鑒于傳熱管外徑偏差會影響傳熱管的切向距離，并最終影響傳熱管與抗振條的裝配，還應(yīng)嚴格控制傳熱管外徑偏差。

抗振條裝配時，每穿完一列U型管，即在該列管上放置對應(yīng)的抗振條，測量抗振條端部距離最上層支撐板的距離，確保抗振條的安裝深度滿足設(shè)計要求；抗振條與端帽連接的墩壓工藝應(yīng)通過工藝評定確定相關(guān)參數(shù)；焊接時應(yīng)設(shè)置輔助工裝保證所有抗振條安裝的均勻性。抗振條裝配的全過程要特別注意防止劃傷U型管表面。

根據(jù)經(jīng)驗反饋，部分核電廠的抗振條在調(diào)試前發(fā)生了偏轉(zhuǎn)[6]，分析認為是在吊裝運輸?shù)冗^程中抗振條沿著傳熱管U型平面方向受到了較大的加速度載荷，由于抗振條在U型管切向的約束靠與管子的摩擦力來實現(xiàn)，所以當該載荷大于抗振條與管子的摩擦力時，抗振條就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)[7]。因此，在蒸汽發(fā)生器起吊運輸時應(yīng)嚴格限制SG移動的加速度。分析表明，豎直、軸向和橫向三個方向的最大加速度應(yīng)不超過1.0g。另外，當傳熱管的U型平面與水平面平行時，傳熱管由于自重，此時抗振條與傳熱管夾緊力較大，有利于SG運輸過程中管子對抗振條的約束。

4 結(jié)語

U形管束彎管支撐的合理設(shè)計是保障蒸汽發(fā)生器安全可靠運行的關(guān)鍵，其中涉及到材料的匹配、尺寸的確定、加工精度的控制等，借鑒核電蒸汽發(fā)生器成熟的設(shè)計經(jīng)驗，在抗振條設(shè)計時選擇405不銹鋼作為抗振條材料，根據(jù)裝配工況和正常運行工況尺寸的變化確定抗振條尺寸和安裝深度，采用端帽、連接環(huán)、C形固定環(huán)等零件對抗振條進行固定。抗振條制造過程要嚴格控制其加工精度，安裝時確保每根抗振條與傳熱管間隙均勻，吊裝運輸時應(yīng)嚴格控制蒸汽發(fā)生器承受的加速度載荷。