海洋工況下穩(wěn)壓器自由液面晃蕩效應(yīng)分析及預(yù)防措施研究

郝天才+劉科+路廣遙

摘 要：自由液面晃動(dòng)問(wèn)題對(duì)海洋浮動(dòng)平臺(tái)反應(yīng)堆系統(tǒng)穩(wěn)壓器的穩(wěn)定運(yùn)行及一回路冷卻劑系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性有著很大的影響。為了保證穩(wěn)壓器及壓力安全系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)主設(shè)備穩(wěn)壓器內(nèi)自由液面在運(yùn)行期間的晃蕩效應(yīng)及其潛在影響進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上開展對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施研究，結(jié)合穩(wěn)壓器自身結(jié)構(gòu)給出了可行的防晃措施，對(duì)海洋工況下的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：海洋工況；穩(wěn)壓器；晃蕩效應(yīng)；預(yù)防措施

中圖分類號(hào)： U661 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）36-175-2

1 概述

液體晃蕩現(xiàn)象在工程各個(gè)領(lǐng)域廣泛存在，如航空航天中飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油箱內(nèi)燃油的晃動(dòng)、航天器中液體推進(jìn)劑的晃動(dòng)、陸上的大型油罐運(yùn)輸車以及海上大型載液貨輪內(nèi)油品等液體的晃動(dòng)等，都屬于該現(xiàn)象。從廣義范疇講它是指容器內(nèi)液體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。除空載和滿載外，任何一個(gè)載液系統(tǒng)在一定條件下都可能發(fā)生晃蕩現(xiàn)象?；问幮?yīng)對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成負(fù)面影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、介質(zhì)泄露等安全事故。

隨著核電技術(shù)的發(fā)展，海上小型堆作為一種新的技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外核電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其關(guān)鍵技術(shù)是將核電反應(yīng)堆系統(tǒng)跟海上浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化及可移動(dòng)等。其中，穩(wěn)壓器作為控制其反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是在反應(yīng)堆啟堆、停堆、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、正常功率變化及各種事故工況下，它與相應(yīng)的系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，借助電加熱元件的加熱形成蒸汽和噴淋系統(tǒng)噴淋冷水冷凝蒸汽使飽和水—飽和汽處于兩相平衡狀態(tài)，維持和控制冷卻劑系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。而穩(wěn)壓器內(nèi)介質(zhì)為60%的飽和水和40%的飽和蒸汽，因此存在汽水界面。在海洋工況下，穩(wěn)壓器會(huì)隨浮動(dòng)平臺(tái)一起在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用下，會(huì)產(chǎn)生橫蕩、縱蕩、橫搖、縱搖、升沉、平搖6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)穩(wěn)壓器內(nèi)自由液面會(huì)隨船體的搖擺而發(fā)生晃蕩現(xiàn)象。

穩(wěn)壓器自由液面晃蕩會(huì)造成穩(wěn)壓器內(nèi)水位的變化，穩(wěn)壓器的重心也隨之變化，對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓器底部的裙式支座會(huì)受到一個(gè)周期性的疲勞載荷，日積月累連續(xù)晃動(dòng)會(huì)對(duì)支承的連接件松動(dòng)，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的晃蕩會(huì)對(duì)穩(wěn)壓器容器內(nèi)壁面的堆焊層造成疲勞沖擊及磨損，對(duì)穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性造成影響；此外，由于穩(wěn)壓器本身功能是用于一回路壓力穩(wěn)定和調(diào)節(jié)，其水空間與一回路系統(tǒng)通過(guò)波動(dòng)管連通，液面的晃動(dòng)會(huì)對(duì)一回路的壓力穩(wěn)定和平衡造成沖擊和影響，同時(shí)水躍現(xiàn)象會(huì)造成位于穩(wěn)壓器筒體上的高水位液位測(cè)量?jī)x表的誤報(bào)警，造成反應(yīng)堆誤停堆，從而影響反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。

2 穩(wěn)壓器液體晃蕩效應(yīng)分析

穩(wěn)壓器內(nèi)液體的晃蕩效應(yīng)取決于穩(wěn)壓器的幾何形狀（高徑比）、內(nèi)部構(gòu)件（阻尼板的設(shè)置與否、數(shù)量、形狀、布置等）、自由液面的高度、液體的物理屬性（如密度、粘度等）及外部海洋條件、運(yùn)行狀況等環(huán)境載荷激勵(lì)，根據(jù)不同條件，穩(wěn)壓器內(nèi)通常會(huì)產(chǎn)生四種不同的晃蕩波：駐波、行進(jìn)波、水躍及三者的組合波，如圖1。

穩(wěn)壓器的幾何形狀根據(jù)其功能要求為立式高溫高壓的圓柱型容器，一般高徑比為3～5。其內(nèi)部液體為15.5MPa壓力和343℃的飽和水和飽和蒸汽，考慮到穩(wěn)壓器頂部的噴淋及飽和水的汽化，穩(wěn)壓器內(nèi)部自由液面不宜設(shè)置阻尼板；本文中海上小堆核電廠其使用場(chǎng)景與海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）相近，因此海洋環(huán)境參數(shù)參考《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》及相關(guān)國(guó)標(biāo)確定，小堆穩(wěn)壓器的振動(dòng)環(huán)境要求如下表：

研究自由液面晃蕩問(wèn)題的方法主要有試驗(yàn)方法、理論方法和數(shù)值方法。其中理論研究一般針對(duì)具體工況作一些相應(yīng)假設(shè)，建立數(shù)學(xué)模型，利用連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，通過(guò)采用線性勢(shì)流理論求出問(wèn)題的解析解（如液體晃蕩的振型、固有頻率）；試驗(yàn)方法相對(duì)精確和直觀，也更為可靠和有效，但需要較大的試驗(yàn)費(fèi)用投入和較長(zhǎng)的周期，需要選擇相似的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图跋嗨频脑囼?yàn)條件；目前隨之計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為自由液面晃蕩的重要方法，尤其對(duì)晃動(dòng)的非線性特性研究有較大的優(yōu)勢(shì)。如邊界元法、有限元法、有限體積法、VOF法、MAC法等。

通過(guò)有限元法計(jì)算及CFD數(shù)值模擬，在穩(wěn)壓器高徑比約為3.5，液面深度為5m的情況下，穩(wěn)壓器內(nèi)自由液面的固有頻率為1.05Hz，在海洋小堆外部振動(dòng)載荷激勵(lì)下表現(xiàn)為組合波，由于海洋工況的復(fù)雜性和隨機(jī)性，在突發(fā)沖擊載荷情況下，會(huì)發(fā)生水躍現(xiàn)象。為防止該現(xiàn)象對(duì)穩(wěn)壓器和一回路反應(yīng)堆系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，需要采取合理的措施。

3 穩(wěn)壓器防晃措施研究

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)在航空、航海及路上運(yùn)輸工程上，對(duì)自由液面防晃措施的設(shè)計(jì)一般是通過(guò)設(shè)計(jì)合理的容器形狀和對(duì)容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于穩(wěn)壓器本身的設(shè)計(jì)及工藝要求，其容器結(jié)構(gòu)必須為立式圓柱形細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，容器內(nèi)的充液比為60%左右，此外穩(wěn)壓器在平臺(tái)上的布置高度相對(duì)較高，因此其晃動(dòng)相對(duì)其他設(shè)備還要?jiǎng)×?；因此，較為可行的措施是在穩(wěn)壓器自由液面以下設(shè)置合理的阻尼裝置（如防晃蕩擋板結(jié)構(gòu)）來(lái)提高其阻尼，以達(dá)到對(duì)晃蕩的抑制。常用的防晃蕩裝置包括水平擋板和豎直擋板，水平的有圓環(huán)形擋板、非對(duì)稱半圓形擋板、Z型擋板、非金屬?gòu)椥园宓?，豎直擋板也包括矩形板、圓柱形板、錐形板等。根據(jù)具體的容器結(jié)構(gòu)和工藝需求選擇合理的阻尼結(jié)構(gòu)。

穩(wěn)壓器阻尼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其頂部的噴霧頭噴淋和底部的電加熱器加熱均勻性，以及自由液面部分的汽液轉(zhuǎn)變（飽和水汽化和蒸汽冷凝）等特殊要求，還要考慮到安裝檢修的可達(dá)性及加工制造難度。此外還要通過(guò)數(shù)值模擬和理論計(jì)算選擇合理的板厚、開孔直徑、支承位置等。通過(guò)迭代計(jì)算和分析，本穩(wěn)壓器阻尼裝置為水平圓形隔板為主，其表面焊有豎直圓環(huán)形翅片板的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過(guò)計(jì)算模擬，該結(jié)構(gòu)極大的提高了穩(wěn)壓器內(nèi)液體的阻尼，克服了海洋搖擺工況下自由液面的水躍現(xiàn)象，并對(duì)晃蕩現(xiàn)象也起到抑制作用。在水平隔板上均布有供流水的過(guò)水圓孔，保證了汽水的連通及相變轉(zhuǎn)換。另外整個(gè)裝置通過(guò)螺栓螺母緊固件固定在設(shè)置與穩(wěn)壓器筒體內(nèi)壁上的四個(gè)支承組件上面，為防止長(zhǎng)期振動(dòng)過(guò)程中緊固件的松脫，對(duì)緊固件進(jìn)行了點(diǎn)焊處理。

4 小結(jié)

本文針對(duì)海洋搖擺工況下穩(wěn)壓器自由液面的晃蕩問(wèn)題，進(jìn)行了理論分析數(shù)值計(jì)算研究，并對(duì)晃動(dòng)特性及研究方法進(jìn)行了闡述和比較，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適用于穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)的防晃液阻尼裝置，并用CFD軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，從而為穩(wěn)壓器晃蕩效應(yīng)預(yù)防提供了可靠的結(jié)構(gòu)參考。對(duì)海洋條件下穩(wěn)壓器防晃裝置的設(shè)計(jì)具有一定的參考性。

參 考 文 獻(xiàn)

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