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核电蒸汽发生器健康监测关键技术研究

刘彤  
【摘要】: 蒸汽发生器是压水堆核电站维系一次侧和二次侧的枢纽设备,其服役寿命和运行安全性一直是备受关注的问题。本文根据压水堆蒸汽发生器结构特点和运行工况参数,将其中的关键零部件结构、运行载荷和物理边界提取并做适当简化,构建了可供科学分析的研究模型,系统地研究了蒸汽发生器U形传热管和支撑板结构的动态特性问题。 具体研究工作和成果如下: (1)阐述了浸液圆板流体结构耦联振动问题的物理模型与数学求解方法体系,研究了浸液圆板流体结构耦联振动问题有关基本假设、物理模型基本方程与不同工况边界条件构建。详细探讨了求解浸液圆板耦联振动偏微分方程一类边值问题的分离变量和积分变换两种解法。本文首次提出了基于广义Fourier-Bessel级数的第一类和第二类F-B-H(Fourier-Bessel-Hankel)积分变换及反演理论,并进行了详细的数学解析。探讨了对偶积分方程求解体系以及在浸液板动态特性分析方面的应用。首次采用F-B-H积分变换及反演与分离变量两种求解方法对众多边界条件下浸液圆薄板流体结构耦联固有振动问题进行了理论解析。如在流体域尺度影响方面,研究了自由面环绕侧壁和刚性固壁时无限深、有限宽,有限深、有限宽,半无限大和有限深度、无限宽流体域;自由顶面和刚性固壁顶面模型;圆板面内外围流体域为自由液面等工况下的浸液圆板振动问题。特别是对于有限域宽刚性固壁侧壁流体域工况,应用本文提出的F-B-H积分变换和反演理论获得了解析解。本文提出的F-B-H积分变换及其反演方法不仅可以用于流体结构分析,而且还可以用于求解其它物理意义的Neumann或Robbin边值问题。 (2)采用数值模拟技术对各种不同流体域边界条件下的浸液圆板流体结构耦联振动模态进行了分析,并通过统计回归给出了半经验公式。采用理论解析和数值模拟技术对蒸汽发生器支撑板间流体结构耦联效应进行了研究,推导了板间耦合振动流体域水动力学方程及其求解方法,特别是还应用本文提出的F-B-H积分变换和反演方法与分离变量法导出了板间耦合振动流体域附加虚质量增量因子的解析解。针对蒸汽发生器支撑板流体结构耦联动态特性计算问题,提出了均质板根据刚度、质量双等效和蜂窝流体域按照质量等效当量成均匀流体域的对偶等效原理,给出了浸液多孔板流体附加质量增量因子的计算方法。 (3)对基于模态分析的传热管健康状态监测技术进行了理论分析和试验研究。讨论了重大过程设备健康监测可行性,对健康监测技术研究进展、发展趋势和有待于研究的问题做了简述。通过对含缺陷U形管动态特性信号变异的数值模拟研究,给出了因缺陷存在而带给传热管模态的变化态势,重点评价了位移、应变或曲率模态对缺陷的敏感性。提出并证实了基于危险部位应变模态监测数据有可能实现蒸汽发生器传热管健康状态在线监测的创新想法。由于蒸汽发生器传热管开裂部位具有一定的规律,因此,对这些危险部位实施高灵敏度的检测和诊断具有较强的工程应用价值。 (4)基于振动力学和有限元法对蒸汽发生器U形传热管动态特性及影响因素进行了较详细的理论解析和数值模拟研究,对影响U形管固有频率的众多因素,如:支撑边界约束条件处理方式、支撑厚度、支撑跨度、管—支撑间隙、弯管系数、一次侧和二次侧压力、沿U形管长度压力分布非均匀性影响、流体附加质量及其非均匀分布、管子自重、管子热膨胀、材料性能变化和参数分散性等进行了分析评价。 (5)从理论与应用角度详细研究了模态分析用于确定多孔板有效弹性常数的技术方法,提出了多孔板有效弹性常数和多孔板质量比的关联式,对静挠度法、总体应变能法与模态法三种确定多孔板有效弹性常数的方法做了对比分析。通过与规范和标准对比,证明了所提理论和方法的正确性。应用模态法对卫星式复式圆孔、三叶孔形和四叶孔形支撑板有效弹性常数进行了计算评估。 (6)采用数值模拟方法对考虑U形传热管-支撑板耦联效应后的系统固有振动特性进行了研究,包括U形传热管-圆孔支撑板、U形传热管-三叶孔支撑板和U形传热管-四叶孔支撑板耦联系统,获得了耦合固有频率与多孔板削弱后的有效弹性常数之间的变化关系。对圆柱-支撑、管-支撑板之间的非赫兹(non-Herzian)协调接触行为进行了理论解析和数值模拟,得到了管支撑板接触应力计算公式。采用三维接触模型模拟了管—支撑垂直接触、斜交接触,支撑棱边带倒角时的接触特性,推导了管支撑体协调接触的变形与应力级数解。


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