核電廠防甩裝置吸能特性試驗(yàn)研究

王春霖，王立帥，劉成毅

核電廠防甩裝置吸能特性試驗(yàn)研究

王春霖，王立帥，劉成毅

（核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518026）

為減輕核電廠高能管道破裂產(chǎn)生的后果，通常需設(shè)置防甩裝置來(lái)吸收甩動(dòng)能量，盡量減少可能的破壞，防甩裝置的吸能特性需重點(diǎn)研究，國(guó)內(nèi)首次利用汽車碰撞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行核電廠防甩裝置的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，本文詳細(xì)介紹了試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)過(guò)程，驗(yàn)證了防甩裝置在特定沖擊能量下的吸能特性，獲取了典型的加速度、速度和位移時(shí)程曲線，U-bolt最大沖擊力和變形量，以及不同沖擊能量對(duì)吸能特性的影響，動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)有助于防甩裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，有效減輕管道破裂甩動(dòng)產(chǎn)生的后果。

防甩裝置；吸能特性；動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)；

核電廠高能管道破裂，在泄漏的流體對(duì)管道產(chǎn)生橫向力的作用下，管道繞著局部區(qū)域作高速旋轉(zhuǎn)，即管道甩動(dòng)。考慮到管道甩動(dòng)和流體沖擊的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，為減輕管道破裂產(chǎn)生的后果，需設(shè)置防甩裝置來(lái)吸收管道的甩動(dòng)動(dòng)能[1]。

核電廠普遍采用U型防甩裝置，銷軸將U型桿組件（以下簡(jiǎn)稱U-bolt）與基座底板連接，基座固定于土建結(jié)構(gòu)上，U-bolt根據(jù)需要可設(shè)置多組，利用其軸向拉伸變形來(lái)吸收甩動(dòng)能量[2]。為測(cè)試防甩裝置動(dòng)態(tài)性能，可采用仿真分析或沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大量管道—防甩裝置仿真研究，孫嘉麟[3]對(duì)管道—防甩裝置進(jìn)行仿真分析，模擬管道環(huán)向及縱向破口條件下甩動(dòng)過(guò)程。丁凱等[4]對(duì)核電站高能管道斷裂防甩分析方法進(jìn)行研究。動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，Kurihara等[5]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)管道甩擊過(guò)程進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)進(jìn)行過(guò)防甩裝置沖擊試驗(yàn)，試件按工作狀態(tài)固定于承力框架中，使用落錘模擬沖擊載荷，試驗(yàn)時(shí)，電磁吸盤吸附質(zhì)量塊，由橋式吊車調(diào)至試驗(yàn)高度，電磁吸盤斷電，落錘沿滑道自由落體向下沖擊U型桿。本文利用汽車碰撞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行防甩裝置動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，采用模擬汽車碰撞的方式，每次將單根U-bolt固定，根據(jù)指定的能量條件，對(duì)臺(tái)車配重和沖擊速度進(jìn)行設(shè)置，在電機(jī)和牽引繩的牽引下，將包含配重的臺(tái)車加速到預(yù)先設(shè)定的速度，與U-bolt碰撞，該方案具備安全系數(shù)高，操作簡(jiǎn)便，能量和速度便于調(diào)節(jié)等多重優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)表明，防甩裝置在特定沖擊能量下具備足夠的安全性。

1　試驗(yàn)過(guò)程

利用汽車碰撞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行防甩裝置動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，原理圖如圖1所示。

1.1　試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)?zāi)M管道破裂對(duì)U-bolt的沖擊，檢驗(yàn)防甩裝置吸能特性。通過(guò)調(diào)整臺(tái)車速度和質(zhì)量使臺(tái)車以規(guī)定的能量撞擊U-bolt，碰撞過(guò)程中忽略摩擦、安裝支架變形等引起的能量損耗。試驗(yàn)設(shè)備包括牽引系統(tǒng)、軌道、中心控制室、試件固定夾具等。試驗(yàn)人員對(duì)臺(tái)車進(jìn)行了改造，在臺(tái)車前部安裝沖擊頭，并按照輸入能量的要求制作了不同大小的質(zhì)量塊作為配重。試驗(yàn)臺(tái)車上安裝加速度傳感器，采集臺(tái)車加速度信號(hào)，試驗(yàn)設(shè)備如圖2、圖3所示。

圖1　試驗(yàn)裝置原理圖

圖2 臺(tái)車、軌道、剛性壁

圖3　改造后的臺(tái)車和U-bolt試驗(yàn)臺(tái)

在臺(tái)車試驗(yàn)中，使用高速相機(jī)進(jìn)行圖像采集，在U-bolt動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中拍攝頻率為1 000 fps，精確的記錄試驗(yàn)中臺(tái)車的運(yùn)動(dòng)情況，方便后期數(shù)據(jù)處理工作的開(kāi)展。

上述儀器設(shè)備均定期進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，保證在試驗(yàn)期間儀器設(shè)備的精度均處在有效期內(nèi)，滿足試驗(yàn)中各項(xiàng)要求。

1.2　試驗(yàn)原理

沖擊試驗(yàn)的邊界條件之一為沖擊的輸入能量，由于試驗(yàn)電機(jī)牽引能力的限制和試驗(yàn)安全的考慮，需針對(duì)不同的輸入能量對(duì)臺(tái)車的配重和沖擊速度進(jìn)行調(diào)整。

沖擊輸入能量由動(dòng)能計(jì)算公式給出：

在后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程中，臺(tái)車的實(shí)時(shí)速度由加速度對(duì)時(shí)間積分得到，加速度信號(hào)由安裝在臺(tái)車上的加速度傳感器得到，如下式所示：

再將臺(tái)車速度對(duì)時(shí)間積分，即可得到隨時(shí)間變化的臺(tái)車位移：

每一時(shí)刻臺(tái)車所具備的能量由動(dòng)能計(jì)算公式得到：

基于上面的計(jì)算公式，可以記錄臺(tái)車每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，便于分析碰撞能量的變化過(guò)程。

1.3　試驗(yàn)過(guò)程

（1）前期準(zhǔn)備

試驗(yàn)臺(tái)車進(jìn)行稱重，將臺(tái)車進(jìn)行拆卸，分部分稱重。臺(tái)車和配重組裝，進(jìn)行沖擊頭安裝，檢查臺(tái)車及配重是否緊密牢靠，沖擊頭加固安裝，防止因能量過(guò)大，對(duì)沖擊頭損壞，在臺(tái)車上安裝加速度傳感器，如圖4、圖5所示。

圖4　沖擊頭

圖5　加速度傳感器

制作U型管安裝所使用的框架結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)臺(tái)框架應(yīng)增加豎向和橫向支撐，增加整體的剛度，充分考慮試驗(yàn)中能量過(guò)大帶來(lái)的損壞。

（2）調(diào)試階段

開(kāi)啟中控室電腦，根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置相關(guān)參數(shù)，安裝U-bolt，測(cè)量其變形前頂端到根部的垂直距離。高速攝像調(diào)試準(zhǔn)備，進(jìn)行側(cè)面和高空的攝像，進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)及U型管的編號(hào)及拍照。

（3）正式試驗(yàn)

中控室整體控制，做好各方協(xié)調(diào)。電機(jī)房打開(kāi)電機(jī)，將臺(tái)車推向指定位置，掛上臺(tái)車，檢查脫鉤把手是否保護(hù)，進(jìn)行液壓張緊。進(jìn)行場(chǎng)地安全檢查，中控室發(fā)射前檢查：高速攝像系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軌道，光電測(cè)速，電機(jī)房。操作試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

2　試驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)U-bolt吸能特性進(jìn)行詳細(xì)分析，將多組不同工況的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

2.1　70 000 J動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

由于配重和牽引系統(tǒng)的限制，實(shí)際沖擊能量與理論沖擊能量有一定偏差，但仍滿足試驗(yàn)要求。其中無(wú)護(hù)板的有效沖擊組數(shù)為2，這兩組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件基本一致，為重復(fù)性試驗(yàn)，帶護(hù)板有效沖擊組數(shù)為1，三組試驗(yàn)的沖擊質(zhì)量相同，具體試驗(yàn)記錄情況如表1所示。

表1　70 000 J試驗(yàn)記錄

為了分析在70 000 J的沖擊能量下U-bolt吸能情況，這里將三組試驗(yàn)的臺(tái)車加速度、速度、位移、動(dòng)能數(shù)據(jù)放在一張圖中進(jìn)行分析比較。其中圖例中的序號(hào)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)記錄表中的試驗(yàn)編號(hào)。

圖6所示為三組沖擊試驗(yàn)得到的濾波后的臺(tái)車加速度時(shí)程曲線，三組試驗(yàn)曲線基本重合，1，2兩組試驗(yàn)的重復(fù)性比較好，有無(wú)護(hù)板對(duì)臺(tái)車加速度的影響不大，整個(gè)碰撞過(guò)程大約持續(xù)了35 ms。

圖6　臺(tái)車加速度時(shí)程曲線

圖7和圖8為臺(tái)車速度時(shí)程曲線和位移時(shí)程曲線。三組試驗(yàn)的速度，位移曲線基本重合。

圖9為臺(tái)車動(dòng)能曲線，臺(tái)車的動(dòng)能基本都被U-bolt-1吸收，只有少量U-bolt彈性變形能被釋放轉(zhuǎn)化為臺(tái)車的動(dòng)能。

圖7　臺(tái)車速度時(shí)程曲線

圖8　臺(tái)車位移時(shí)程曲線

圖9　臺(tái)車動(dòng)能時(shí)程曲線

U-bolt動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程可分為4個(gè)典型階段：

第Ⅰ階段：形狀變形階段，此階段U-bolt發(fā)生折彎，臺(tái)車速度基本保持不變，位移呈直線增加，臺(tái)車動(dòng)能下降很少，U-bolt吸能較少。

第Ⅱ階段：彈性變形階段，此階段臺(tái)車加速度呈線性增長(zhǎng)，U-bolt發(fā)生彈性變形，頂部圓弧段和沖擊頭圓弧貼合，其余部分被拉成直線，U-bolt兩側(cè)向臺(tái)車靠攏，且向內(nèi)彎曲。臺(tái)車速度開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，動(dòng)能明顯變小，U-bolt吸能開(kāi)始迅速增加。

第Ⅲ階段：塑性變形階段，此階段臺(tái)車加速度基本不變，U-bolt發(fā)生塑性變形，臺(tái)車速度呈直線下降，同時(shí)位移增加變緩，并且達(dá)到最大變形量，臺(tái)車動(dòng)能迅速下降，U-bolt在此階段吸能迅速增加，吸能過(guò)程主要發(fā)生在此階段。

第Ⅳ階段：回彈變形階段，此階段臺(tái)車加速度不斷減小，基本呈直線下降，是U-bolt彈性變形恢復(fù)的階段。臺(tái)車開(kāi)始反彈，位移變小，U-bolt的彈性變形能轉(zhuǎn)化為臺(tái)車的動(dòng)能。選取兩張典型高速攝像機(jī)拍攝的圖片，如圖10所示。

圖10　典型高速攝像圖片

表2所示為三組試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中最大加速度為對(duì)應(yīng)臺(tái)車速度為0時(shí)的加速度，不是臺(tái)車峰值加速度；從表中數(shù)據(jù)可以看出三組試驗(yàn)的最大加速度差別不大，最大沖擊力，反彈速度，U-bolt頂端變形量也基本相同。

表2　主要試驗(yàn)結(jié)果

表3所示為防甩裝置吸收能量情況，防甩裝置吸收能量忽略了臺(tái)架吸收的能量以及臺(tái)車和地面、U-bolt的摩擦損耗能量?？梢钥闯觯?0 000 J的三組沖擊試驗(yàn)的U-bolt吸能比例基本相同，有無(wú)護(hù)板對(duì)U-bolt的吸能沒(méi)有明顯影響。

表3　能量數(shù)據(jù)

2.2　不同沖擊能量相同沖擊質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行四組不同沖擊能量相同沖擊質(zhì)量的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，U-bolt均無(wú)護(hù)板，臺(tái)車質(zhì)量均為1 281 kg，四組試驗(yàn)的沖擊速度不同，具體試驗(yàn)記錄情況如表4所示。

表4　試驗(yàn)記錄

圖11為四組沖擊試驗(yàn)濾波后的臺(tái)車加速度時(shí)程曲線，隨著沖擊能量的增加，臺(tái)車加速度峰值依次出現(xiàn)。圖12、圖13和圖14為四組沖擊試驗(yàn)的臺(tái)車速度時(shí)程曲線，臺(tái)車位移時(shí)程曲線以及臺(tái)車能量時(shí)程曲線?？梢钥闯?，四組試驗(yàn)的臺(tái)車反彈速度差別不大，說(shuō)明不同沖擊能量的試驗(yàn)條件下，U-bolt彈性變形恢復(fù)釋放的能量基本相同。同時(shí)，可以得出，隨著沖擊能量的增加，臺(tái)車的位移依次增加。

圖11　臺(tái)車加速度時(shí)程曲線

圖12　臺(tái)車速度時(shí)程曲線

圖13　臺(tái)車位移時(shí)程曲線

圖14　臺(tái)車能量時(shí)程曲線

表5為四組試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在相同沖擊質(zhì)量的情況下，隨著沖擊能量的增加，臺(tái)車最大加速度，最大沖擊力，U-bolt頂端變形增加；臺(tái)車反彈速度變化不大。

表5　主要試驗(yàn)結(jié)果

不同能量U-bolt變形量如圖15所示，基本上呈線性分布。

圖15　不同能量U-bolt變形量

表6為防甩裝置吸收能量情況，隨著沖擊能量的增加，U-bolt吸收能量的比例基本不變。

表6　能量數(shù)據(jù)

3　結(jié)論

（1）驗(yàn)證了U-bolt在特定沖擊能量（70 000 J）下的安全性，獲取了典型的加速度、速度和位移時(shí)程曲線，同時(shí)得到了U-bolt的最大沖擊力和變形量，有助于防甩裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

（2） U-bolt動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程分為4個(gè)階段：形狀變形、彈性變形、塑性變形和回彈變形階段，其中吸能過(guò)程主要發(fā)生在塑性變形階段。

（3）隨著沖擊能量的提升，臺(tái)車加速度峰值依次出現(xiàn)，U-bolt頂端變形量依次增加，吸能比例基本不變。

［1］ 余同希，華云龍．核電站中管道破裂后的甩動(dòng)及其防護(hù)［J］．壓力容器，1986（1）：70-76.

［2］ 王春霖，佘靖策，褚金華．基于LS-DYNA的主蒸汽管道甩動(dòng)仿真分析［J］．核動(dòng)力工程，2011，32：93-97.

［3］ 孫嘉麟．核電站主管道-限制件系統(tǒng)甩擊過(guò)程的數(shù)值模擬與簡(jiǎn)化分析［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

［4］ 丁凱，李崗，梁兵兵．核電站高能管道斷裂防甩分析方法研究［J］．核動(dòng)力工程，2011，32（增刊1）：13-17.

［5］ Kurihare R，Ueda S，IsoZaki T，et al. Experimental studies of 4-inch pipe whip test under BWR loca conditions［J］．Nuclear Engineering and Design，1983，76（1）：23-33.

Experimental Study on Energy Absorption Characteristics of Anti-whip Device in Nuclear Power Plant

WANG Chunlin，WANG Li shuai，LIU Chengyi

（State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment，Shenzhen of Guangdong Prov.518026，China）

In order to reduce the consequences of the rupture of high-energy pipes in nuclear power plants，it is usually necessary to set up anti-dumping devices to absorb swinging energy and minimize possible damage，and the energy absorption characteristics of anti-dumping devices need to be studied. The dynamic impact test of the anti-dumping device of nuclear power plant is carried out by using the automobile collision test-bed for the first time in China. This paper introduces the test equipment and test process in detail，and verifies the energy absorption characteristics of the anti-dumping device under specific impact energy. The typical time history curves of acceleration，velocity and displacement，the maximum impact force and deformation of U-bolt，and the effects of different impact energy on energy absorption characteristics are obtained. the dynamic impact test is helpful to the design and optimization of anti-dumping device and effectively reduce the consequences of pipeline rupture.

Anti-Whip Device；Energy absorption characteristics；Dynamic impact test

TL48

A

0258-0918（2021）05-0941-07

2021-01-11

王春霖（1984—），男，山東青島人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核電廠管道布置設(shè)計(jì)、力學(xué)分析工作