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    核電廠熱疲勞監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

    2022-02-18 01:32:20張彥召朱斌陳明亞梅金娜
    裝備環(huán)境工程 2022年1期
    關(guān)鍵詞:穩(wěn)壓器熱應(yīng)力核電廠

    張彥召,朱斌,陳明亞,梅金娜

    (蘇州熱工研究院有限公司,江蘇 蘇州 215004)

    設(shè)計階段,核電廠通?;谠O(shè)計基準(zhǔn)瞬態(tài)評估部件壽期內(nèi)的疲勞積使用因子(CUF)。運行經(jīng)驗表明,電廠事實運行參數(shù)常比設(shè)計值更加復(fù)雜。如管道的三通部位常出現(xiàn)冷熱介質(zhì)的混合過程,管道內(nèi)流體流速低且兩端流體存在溫度差時,會發(fā)生冷熱流體分層現(xiàn)象。這些設(shè)計中未能充分考慮的瞬態(tài)常引起部件的疲勞失效。

    世界范圍內(nèi)多個核電廠曾發(fā)生過由于熱疲勞導(dǎo)致的管道裂紋事件。某國核電廠2013—2017年期間發(fā)生熱疲勞事件17起,含管道貫穿性裂紋事件3起,造成一回路輔助管道冷卻劑泄漏,并引發(fā)機組停堆。針對設(shè)計中無法精確考慮的瞬態(tài),主要通過增加額外的局部測點進行在線瞬態(tài)監(jiān)測,從而實現(xiàn)精確評估實際熱循環(huán)載荷對部件疲勞壽命的影響。如美國電力科學(xué)研究院的FatiguePro系統(tǒng)、西屋公司的WESTEMS系統(tǒng)、德國阿?,m的FAMOS系統(tǒng)。國內(nèi)在此方面還處于起步階段,相關(guān)研究顯得必要且迫切。在線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)需要具有較高采樣頻率、監(jiān)測精度和長期服役的可靠性,同時傳統(tǒng)的熱應(yīng)力分析和疲勞評價主要基于有限元方法(FEM),對于在線疲勞監(jiān)測系統(tǒng),則需要開發(fā)快速計算管道熱應(yīng)力的方法。

    文中將首先介紹核電廠熱疲勞形成的機理,然后介紹自主開發(fā)的在役核電廠一回路管道熱疲勞監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱TECMAN系統(tǒng)),包含硬件模塊、軟件評估模塊、工程應(yīng)用情況等。論述基于疲勞監(jiān)測的方法,對優(yōu)化核電廠運行參數(shù),進而實現(xiàn)核電廠許可證延續(xù)運行(60 a)有重要的指導(dǎo)意義。

    1 熱疲勞形成機理

    核電廠一回路管道最典型的熱疲勞形成機理為熱分層和熱沖擊。

    1.1 熱分層

    管道內(nèi)介質(zhì)在流動過程中,較熱、較輕的介質(zhì)會停留于較冷、較重的介質(zhì)上面,從而產(chǎn)生一定的溫度梯度,這種現(xiàn)象稱作熱分層。通常發(fā)生在熱安注管線、波動管水平段等不能與主管段隔離的水平直管位置,由于主管段與支管冷熱流體的作用,這些位置會形成較穩(wěn)定的熱分層。熱分層會使管道膨脹不均而造成彎曲應(yīng)力。當(dāng)流速足夠高時,冷、熱介質(zhì)分界面處的流體溫度脈動會引發(fā)分界面混合,從而在管道靠近內(nèi)表面及鄰近冷、熱介質(zhì)分界面處引發(fā)局部的周期性應(yīng)力變化,這種熱應(yīng)力的反復(fù)變化會引發(fā)管道的熱疲勞。

    1.2 熱沖擊

    熱沖擊通常是由于流體溫度劇烈變化造成的,其發(fā)生的部位一般為管嘴區(qū)域(如上充管口、噴淋管嘴等)。以穩(wěn)壓器噴淋管為例,由于一回路冷卻水及化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)再生式熱交換器下游的上充管線水溫度遠(yuǎn)小于穩(wěn)壓器蒸汽溫度,在主噴淋或輔助噴淋啟動時,低溫噴淋水與高溫蒸汽接觸,在穩(wěn)壓器噴淋管嘴處引起劇烈的溫度變化,從而形成熱沖擊。這種熱沖擊會使管嘴處產(chǎn)生熱疲勞。

    2 監(jiān)測位置篩選

    核電廠一回路輔助管道上現(xiàn)有溫度傳感器并不足以支持對熱疲勞現(xiàn)象的監(jiān)測,需篩選出具體的熱疲勞敏感管道,并在相應(yīng)位置安裝傳感器組件,實施溫度監(jiān)測。熱疲勞敏感管道的篩選通常分為2個層次:首先,在一回路輔助管道及相關(guān)關(guān)注管道清單的基礎(chǔ)上,根據(jù)管道尺寸、材料、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流體溫差情況,篩選出符合要求的管道;其次,結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗反饋及這些管道的運行工況,對其是否可能發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象進行識別,最終確定敏感管道。

    熱疲勞敏感管道篩選完成后,利用有限元方法進行管道內(nèi)流場瞬態(tài)分析和溫度場分析,并結(jié)合周邊位置的溫度場響應(yīng)度,初步判斷監(jiān)測點位。對這些監(jiān)測點位進行現(xiàn)場勘察,核實其是否滿足安裝條件,是否受在役檢查影響等,并根據(jù)實際情況,作出相應(yīng)調(diào)整。通過在篩選出的熱疲勞監(jiān)測點位布設(shè)溫度傳感器組件,能監(jiān)測到由于熱分層、熱沖擊產(chǎn)生的溫度分層和波動,補充電廠現(xiàn)有工藝條件下不能提供的真實溫度數(shù)據(jù),作為熱瞬態(tài)溫度與應(yīng)力計算的邊界條件。

    3 TECMAN系統(tǒng)開發(fā)

    3.1 系統(tǒng)功能

    TECMAN系統(tǒng)的主要功能是通過安裝在一回路輔助管道外壁的傳感器組件,監(jiān)測管道內(nèi)流體的溫度梯度分布和瞬態(tài)變化,從而獲得管道真實的熱載荷數(shù)據(jù)。通過將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入熱疲勞評估模型,計算出管道的實際損傷程度。TECMEN系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1。

    表1 TECMEN系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical parameters of TECMAN system

    3.2 系統(tǒng)組成

    TECMAN系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測傳感器組件、數(shù)據(jù)采集單元、光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)處理單元等組成,如圖1所示。

    圖1 TECMAN系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 System schematic of TECMAN system

    溫度監(jiān)測傳感器組件通過柔性鋼帶安裝于一回路輔助管道外壁,其上集成有鎧裝熱電偶,用于測量管道內(nèi)流體的徑向溫度分布和捕捉管道內(nèi)微小的溫度變化。根據(jù)監(jiān)測溫度現(xiàn)象的不同,鋼帶上溫度傳感器的數(shù)量和分布角度也不同,如圖2所示。

    圖2 溫度監(jiān)測傳感器組件分布Fig.2 Distribution of temperature monitoring sensors: a)monitoring thermal stratification; b) monitoring thermal shock-1; c) monitoring thermal shock-2

    受在役核電廠儀表貫穿件通道數(shù)量少的限制,將數(shù)據(jù)采集單元設(shè)置在安全殼內(nèi)的低劑量區(qū),通過其內(nèi)置的多通道模擬信號/數(shù)字信號(A/D)轉(zhuǎn)換模塊,將接收到的熱電偶模擬信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并由以太網(wǎng)傳輸至安全殼外。為保證設(shè)備的可靠性和數(shù)據(jù)的安全性,數(shù)據(jù)采集單元采用了冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)置就地存儲模塊設(shè)計。當(dāng)單個中央處理器(CPU)或模塊損壞時,系統(tǒng)會自動切換至備用模塊,并繼續(xù)正常工作;當(dāng)安全殼內(nèi)、外通信完全喪失時,存儲模塊能記錄超過18個月的溫度數(shù)據(jù),保證了監(jiān)測的完整性和數(shù)據(jù)的安全性。

    光電轉(zhuǎn)換單元主要是將安全殼內(nèi)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成光信號,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。鏈路采用2路單模光纖,與數(shù)據(jù)采集單元和處理單元內(nèi)的交換機共同構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)單點故障時,不會影響鏈路正常通信,增強了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

    數(shù)據(jù)處理單元包括服務(wù)器、監(jiān)視器等硬件設(shè)備,承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理、存儲與人-機交互功能。通過熱疲勞監(jiān)測軟件,可對一回路管道流體及系統(tǒng)本身的狀態(tài)進行監(jiān)控,主要實現(xiàn)測點位置、類型及狀態(tài)顯示,以及溫度跟蹤和曲線繪制、數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出、系統(tǒng)故障診斷和報警、通道交叉校驗等功能。數(shù)據(jù)處理單元存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)可導(dǎo)入熱疲勞分析軟件,實現(xiàn)對管道熱疲勞損傷的計算和評估。

    3.3 系統(tǒng)開發(fā)原理

    基于局部參數(shù)監(jiān)測的疲勞分析過程如圖3所示。基于監(jiān)測局部的壓力、溫度、流速等熱工水力特性,通過一定的數(shù)值方法(傳遞函數(shù)),計算分析部位的應(yīng)力變化過程,再通過規(guī)范化的載荷譜統(tǒng)計方法,計算部件的疲勞損傷(CUF)情況。

    圖3 基于局部參數(shù)監(jiān)測的疲勞分析流程Fig.3 Fatigue analysis process based on local parameter monitoring

    依據(jù)美國機械工程師協(xié)會(ASME)規(guī)范或法國壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)范(RCC-M)中規(guī)范一級管道的設(shè)計準(zhǔn)則,對于任意2個時刻(例如時刻和),依據(jù)公式(1)計算的總交變應(yīng)力強度():

    式中:、、、、和為RCC-M規(guī)范給出的應(yīng)力指數(shù);()為和狀態(tài)導(dǎo)致的壓力波動;為材料泊松比;為管道外徑;為管道厚度;為管道截面慣性矩;P()為和時刻的彎矩的平方根;Δ()為和時刻沿壁厚方向上溫度分布的線性部分;Δ()為和時刻沿壁厚方向上溫度分布的非線性部分;為2個位置環(huán)境溫度下的彈性模量;、為a、b位置處的熱膨脹系數(shù);()、()為溫度的波動范圍;和分別為室溫下的楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。

    任意應(yīng)力單元體的應(yīng)力包含準(zhǔn)靜態(tài)載荷引起的應(yīng)力和熱沖擊導(dǎo)致的熱應(yīng)力,其中熱應(yīng)力與前一段時間溫度變化的歷史相關(guān)??捎稍O(shè)計工況下的應(yīng)力進行代數(shù)插值獲取式(1)中的準(zhǔn)靜態(tài)載荷,以及內(nèi)壓、彎矩、熱膨脹載荷引起的應(yīng)力。熱應(yīng)力部分通常需要通過有限元數(shù)值計算法或格林函數(shù)法計算獲得,有限元數(shù)值計算法耗時較多,難以在工程中應(yīng)用計算。格林函數(shù)法方法簡潔、原理可靠,適合于工程上快速計算熱應(yīng)力,相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各國的疲勞監(jiān)測系統(tǒng)之中。

    格林函數(shù)是一種用來求解有初始條件和邊界條件的函數(shù),它包含分析部件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、運行工況等信息,通過線性疊加的方法可得到任意源產(chǎn)生的場。基于公式(2),可計算時刻的熱應(yīng)力方法。

    核一級管道和設(shè)備采用應(yīng)力強度準(zhǔn)則進行疲勞評價,任一時刻單元體中,應(yīng)力分量包含6個分量(σ、σ、σ、σσ、σ),主應(yīng)力(、、,且≥≥)可通過式(4)求解三次方程獲得。基于設(shè)計規(guī)范,可計算該時刻應(yīng)力強度()。

    選擇任意2個時刻和的載荷組,其對應(yīng)交變應(yīng)力強度(,)如式(5)所示:

    式中:為規(guī)范給定的疲勞曲線對應(yīng)的彈性模量;為所考慮時刻分析位置對應(yīng)溫度下的材料彈性模量;(,)為彈塑性應(yīng)變修正系數(shù)。

    通過雨流計數(shù)方法,獲得需要評估的所有循環(huán)配對,查詢疲勞曲線計算對應(yīng)的允許循環(huán)次數(shù),則相應(yīng)載荷循環(huán)的使用系數(shù)(損傷系數(shù))為1/。將所有循環(huán)下的使用系數(shù)相加,可得總的CUF(總CUF應(yīng)小于1)。

    4 工程應(yīng)用

    當(dāng)前,TECMAN系統(tǒng)已在國內(nèi)某核電廠穩(wěn)壓器波動管上開展了示范應(yīng)用,首批監(jiān)測點為4個位置,成功監(jiān)測到機組啟動過程中管道內(nèi)流體的熱分層和熱沖擊現(xiàn)象。從波動管上某測點的溫度監(jiān)測曲線(見圖4)可以看出,管道頂部至底部的溫度呈階梯分布,最大溫差高達107.89 ℃。此外,還監(jiān)測到8個完整的波入波出過程。

    圖4 啟機階段TECMAN系統(tǒng)的監(jiān)測曲線Fig.4 Monitoring curve of TECMAN system during a startup phase

    如圖5所示,在穩(wěn)壓器波動管上安裝的測量端3上部的2個熱電偶(測點1、測點2)與電廠原有的穩(wěn)壓器內(nèi)部流體溫度監(jiān)測探頭(測點3)位置較近,3個儀表測量數(shù)值與波動基本相同。兩者具有很高的吻合度,表明TECMAN系統(tǒng)數(shù)據(jù)真實可靠。測量端3中下部熱電偶可獲得更多的管道溫度場數(shù)據(jù),有利于疲勞的精確計算。

    圖5 TECMAN系統(tǒng)監(jiān)測可靠性說明示例Fig.5 Examples of monitoring reliability TECMAN system

    5 結(jié)語

    根據(jù)熱疲勞產(chǎn)生機理,開發(fā)了TECMAN系統(tǒng),并在核電廠實現(xiàn)了工程應(yīng)用。開發(fā)的TECMAN硬件系統(tǒng)主要包含溫度監(jiān)測傳感器組件、數(shù)據(jù)采集單元、光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)處理單元?;赗CC-M的管道設(shè)計規(guī)范和格林函數(shù)技術(shù),開發(fā)了可工程應(yīng)用的快速疲勞評估軟件模塊。通過在穩(wěn)壓器波動管上安裝溫度傳感器組件,系統(tǒng)成功監(jiān)測到了啟機階段波動管內(nèi)流體的熱分層和熱沖擊現(xiàn)象,達到了預(yù)期的設(shè)計要求,表明TECMAN監(jiān)測具有較高的可靠性。

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