H型防甩裝置吸能效果研究

張金換，李浩，周勇

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

前言

環(huán)境與能源問題一直是困擾社會發(fā)展的重要問題，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法適應(yīng)經(jīng)濟快速發(fā)展和對清潔能源的要求。核電作為一種清潔能源，對于滿足電力能源要求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減輕污染、促進經(jīng)濟能源的可持續(xù)發(fā)展有重要的作用。

截至2016年底，我國核電裝機容量達到3364萬千瓦，在建機組約2139萬千瓦。國家能源局發(fā)布的《2017年能源工作指導(dǎo)意見》中提出，2017年實現(xiàn)煤炭去產(chǎn)能5000萬噸，同時大力發(fā)展核電，積極推進已開工核電項目，年內(nèi)計劃新增裝機規(guī)模641萬千瓦[2]。《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，到 2020年核電裝機達到 5800萬千瓦，在建核電機組 3000萬千瓦以上[3]。

核電廠的高能管道輸送高溫高壓的介質(zhì)，一旦管道斷裂，管道很容易發(fā)生甩擊，對相鄰的建筑物和其他管道產(chǎn)生類似于飛射物性質(zhì)的沖擊，產(chǎn)生惡性連鎖反應(yīng)。

為了減小管道甩擊來帶的破壞，需要根據(jù)高能管道的布置特點、薄弱點、電廠整體結(jié)構(gòu)等情況，安裝H型防甩擊系統(tǒng)，通過防甩裝置結(jié)構(gòu)的變形吸收破壞能量[4]。

1 防甩裝置碰撞試驗

1.1 試驗臺架

試驗臺架在汽車碰撞試驗設(shè)備的基礎(chǔ)上進行改進，將試驗樣件固定在碰撞壁上，同時在碰撞臺車上安裝模擬管道形狀的沖擊頭。試驗臺架如圖1所示。

圖1 試驗臺架

1.2 試驗結(jié)果

試驗沖擊能量為100kJ，試驗條件輸入如表1所示。

表1 試驗條件輸入

試驗過程中樣件的最終變形情況如圖2所示。

圖2 樣件變形情況

通過對高速攝像的處理，可以得到?jīng)_擊錘頭的位移情況如圖3所示。

圖3 臺車位移曲線

試驗過程中采集的沖擊臺車的加速度曲線如圖4所示。

圖4 臺車加速度時程曲線

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，樣件最大變形量為25mm左右，減速過程中臺車的最大加速度大約為275g。

2 仿真分析

2.1 建立仿真模型

為了更好的研究樣件在受沖擊過程中的響應(yīng)情況，建立了有限元仿真模型。為了便于計算，將臺車進行簡化，總質(zhì)量集中在沖擊頭部分，仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

模型中樣件的材料參數(shù)如表2所示。

表2 樣件材料參數(shù)

2.2 模型與試驗結(jié)果對標(biāo)

圖6為試驗與仿真的加速度結(jié)果對比。通過加速度曲線可以看出，仿真與試驗的加速度峰值誤差很小，脈寬基本一致，說明仿真模型能夠很好的再現(xiàn)試驗過程中樣件的響應(yīng)狀態(tài)。

圖6 仿真與試驗加速度對比

2.3 變形過程中樣件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況

圖7 樣件內(nèi)部應(yīng)變分布

由于樣件側(cè)壁蜂窩孔的作用，導(dǎo)致局部位置會出現(xiàn)應(yīng)力相對較大的情況，通過仿真可以直觀看出應(yīng)變和應(yīng)力在樣件中的分布。樣件應(yīng)力分布如圖7所示。

3 總結(jié)

從圖7可以看出，由于蜂窩孔的存在，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，中間兩個孔徑圓心連線方向上由于材料厚度較小，導(dǎo)致應(yīng)力較大，最大應(yīng)力到870MPa。

圖6臺車加速度的峰值在4ms時達到最大，從內(nèi)部應(yīng)力分布來看，在4-5ms時內(nèi)部局部應(yīng)力達到最大，之后不斷減小。

在沖擊能量為100kJ時，應(yīng)力分布不均勻，只有局部很小的位置應(yīng)力較大，其他大部分應(yīng)力水平較小，吸能效率較低。因此，如果在沖擊能量一定的情況下，可以減小樣件壁厚，或增加蜂窩孔徑來提高吸能效率，降低加速度。

由于時間限制，目前僅做了一種能量下的沖擊試驗，后續(xù)還會繼續(xù)進行不同能量的沖擊試驗以及仿真分析，深入研究樣件的吸能效果，同時，也會改變蜂窩孔徑的大小和形狀，進一步改進樣件，提高吸能效率，并降低沖擊過程中的加速度，盡可能保證事故中管道和周圍結(jié)構(gòu)的安全。

參考文獻

[1] Palusamy S., Patrick W. L.,and Cloud R. L.,1974,“Dynamic Analysis of Pipe Whip Problems,” Nucl. Eng. Des., 31, pp. 106-116.

[2] 國家能源局. 2017年能源工作指導(dǎo)意見. 2017.

[3] 國家發(fā)展改革委員會,國家能源局.電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃. 2016.[4] 操豐.基于雙線性法的高能管道假想破口載荷分析及H型防甩擊限制器設(shè)計[C]// 2010中國核電產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新與發(fā)展論壇. 2010:64-68.

[5] Salmon M. A., and Verma V. K., 1976, “Rigid Plastic BeanModel for Pipe-whip Analysis,” J. Engng Mech. Div., Am. Soc. Civ. Engrs,102, pp. 415-430.

[6] Reid S. R., Yu T. X., and Yang J. L., 1995, “Response of An Elastic-plastic Tubular Cantilever Beam Subjected to Force Pulse at Its Tip:Small Deflection Analysis,” Int. J. Solids Struct., 32, pp. 3407-3421.

[7] 余同希,華云龍.核電站中管道破裂后的甩動及其防護[J].壓力容器,1986(1):73-79.

[8] 李承亮,鄧小云,陰志英,等.核電廠高能管道應(yīng)用破前漏技術(shù)對材料力學(xué)性能的要求[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012, 46(b12):877-880.