蒸汽发生器单根传热管振动特性试验和分析

2020-09-21任红兵姚博维马文慧

压力容器 2020年8期

朱勇，任红兵，赵博,姚博维，刘攀,马文慧

(1.中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东深圳 518172；2.中广核研究院有限公司，广东深圳 518172)

0 引言

由于存在高流速的管外横向流体作用，蒸汽发生器管束弯管区是过量流致振动发生的高风险区域[1-3]。对单根传热管弯管区域振动特性的研究，是进行蒸汽发生器传热管流致振动分析评价的基础[4-6]。

在对蒸汽发生器传热管流致振动分析时，通常认为传热管在防振条和支撑板位置的支撑均为有效支撑，将支撑板支撑位置简化为约束垂直传热管轴线两个位移方向的简支；将防振条支撑位置简化为约束弯管面外和弯曲径向面内两个位移方向的简支[7-9]。通过试验可研究防振条支撑间隙对振动特性的影响，验证支撑板支撑有效性和边界条件假设，掌握传热管弯管区支撑有效性的临界间隙条件[10-11]，验证在设计最大间隙内防振条位置的支撑有效性和边界条件假设。

通过试验获得单根传热管在不同环境工况(管内外充水、管内压力)[12]、不同磨损状态(弯管位置无磨损和正常磨损)下的振动特性，有助于研究附加水质量、管内外压差、正常磨损等因素对传热管振动特性的影响，更为全面地掌握传热管在服役环境下的动态特性。

1 试验装置及测量

1.1 试验装置

单根传热管振动特性试验装置包括大钢板、焊接板、防振条调节装置、梅花孔支撑板、管板、盖板、密封装置以及激振装置等，试验装置如图1所示，为减少试验测量时试验装置本身振动带来的影响，整个试验装置安装在一块剪力墙上。整个传热管管外区域可实现充水，管内可通过阀门充水和打压。防振条调节装置通过螺栓可调节防振条模拟板和传热管之间的间隙，为试验提供不同工况下的边界条件。

图1 单根传热管振动特性试验装置

1.2 测试方法

试验采用三轴加速度传感器，通过辅助工装套安装在管外测点位置。三轴加速度传感器可以测量3个方向的加速度信号，试验时采取激振器分别在传热管面内和面外方向进行激励，通过三轴加速度传感器拾取面内和面外方向信号，将信号传输到LMS数控系统进行采集，采集得到的直接物理量有两种，一种是通过阻抗头测量得到的系统输入激励力的时域信号；一种是通过加速度传感器测量得到的系统输出加速度响应的时域信号。对于每组采集到的两种传感器信号，经LMS后处理模块处理后，得到其对应的FRF频响曲线，将频响曲线FRF导入LMS模态分析模块进行模态分析，进而得到传热管的固有频率、振型。

2 模拟计算和设计间隙下的试验结果对比

2.1 数值计算模型和边界条件介绍

在进行传热管振动特性和流致振动分析时，传热管通常使用梁单元进行建模，管内水全部作为附加质量附加在梁单元上。对于管外附加水质量，按照ASME附录表N-1311-1选取。传热管在支撑板处的边界条件为约束垂直于传热管轴线方向的两个位移自由度；传热管在管板位置为固定支撑；在防振条处的边界条件可以简化为约束传热管面外和沿着弯管半径两个方向的位移自由度。按照以上建模方法，得到传热管振动特性有限元分析模型如图2所示。

图2 传热管振动特性分析有限元模型及边界条件

2.2 分析结果和试验结果的对比

在管内外均是充水环境、防振条全部支撑均为设计直径间隙条件下，传热管模拟计算(模拟计算时边界条件采用简支条件)和试验得到的前12阶频率及振型对比见表1。

表1 传热管振动特性模拟计算与试验结果对比

由表1可以看出，传热管振型分为面内对称、面外对称、面内反对称以及面外反对称4种类型；由于防振条位置支撑点多且自由跨距小，以弯管段为主的振型主要发生在高阶，而由于直管段自由跨距大，低阶频率表现为以直管段振型为主；传热管模拟计算得到的各阶频率与试验得到的最大误差为8.54%，在工程误差允许范围内，表明处于设计名义间隙范围内的传热管边界条件可以简化为简支。

3 试验结果分析

3.1 管内外充水对传热管振动频率的影响

试验的环境工况分为管内管外均空气，管内充水、管外空气以及管内外均充水，3种环境工况下测得的面内模态频率如图3所示，测得的面外模态频率如图4所示。

图3 不同环境工况下传热管的面内振动频率

图4 不同环境工况下传热管的面外振动频率

由图3，4可以看出，管内充水、管外空气环境下的传热管各阶面内及面外的固有频率与管内外均空气环境下的固有频率相比出现下降，说明传热管在振动时，管内水对传热管振动系统质量的影响远大于对刚度的影响，在分析时需考虑管内水的附加水质量；而管内外均充水环境下传热管的各阶频率又低于管内水管外空气环境下的各阶频率，说明在传热管振动分析中，应考虑管外附加水质量。

3.2 管内充压对传热管振动特性的影响

通过设置在传热管底部的阀门对传热管进行充水打压，研究传热管管内压力对振动频率的影响，如图5所示。传热管的前4阶面内和面外频率所在模态是直管振型模态，可以看出，前4阶频率在管内无压和加压情况下不发生改变，表明管内压力对传热管直管段振动特性无影响；在以弯管振型为主的后6阶模态中，由于管内加压使传热管弯管段刚度加强，导致传热管管内加压工况下后6阶频率略高于管内无压工况。这种频率增大在面内模态上表现得更为明显，但是总体上没有对传热管弯管段振动特性产生较大影响。

图5 管内有无压力工况下传热管的振动频率

3.3 支撑间隙对传热管振动特性的影响

应用防振条调节装置对防振条处的支撑间隙进行调整，主要考虑如下支撑间隙工况：(1)所有支撑间隙为0间隙；(2)所有间隙为设计间隙；(3)单个支撑间隙为变间隙，其余间隙为设计间隙；(4)连续两个支撑间隙为变间隙，其余为设计间隙。得到各个支撑工况下面内和面外前8阶频率，如图6，7所示。

图6 传热管在各个支撑间隙工况下的面内频率

由图6可以看出，以直管振型为主的面内前4阶频率不受防振条位置支撑间隙值调整的影响；随着支撑间隙的增大，以弯管振型为主的面内后4阶振动频率下降，表明支撑间隙的增大导致传热管弯管段支撑刚度减弱；当连续两个支撑间隙值大于0.13 mm时，弯管振型为主的面内1阶振动频率大幅下降，说明此时传热管弯管段面内支撑开始出现失效，传热管弯管段出现过量流致振动和失稳的风险开始增加，防振条设计及制造时应避免大于此间隙条件的情况发生。

图7 传热管在各个支撑间隙工况下的面外频率

对于面外振动频率，由图7可以看出，传热管在各个支撑间隙工况下，以直管振型为主和以弯管振型为主的频率均不受间隙调整的影响，可以认为在单个支撑间隙为0～0.7 mm、连续两个支撑间隙为0～0.7 mm范围内，传热管弯管段面外支撑不会发生失效。

3.4 正常磨损对传热管振动特性的影响

传热管在役期间会与防振条发生微动磨损，根据在役检查经验反馈，传热管在正常流致振动情况下到寿期末磨损深度一般为壁厚的15%左右。

图8 传热管磨损工况现场

为研究传热管在正常磨损状态下的振动特性，全面掌握传热管在役振动状态，在与防振条接触位置的传热管模拟件上，人为构造名义壁厚15%左右的磨损，如图8所示。传热管在磨损和无磨损状态下的面内外振动频率如图9所示。可以看出，传热管防振条位置出现正常磨损时与无磨损传热管振动频率基本一致，可判断传热管的正常磨损不会影响振动特性，对在役磨损传热管进行振动分析时，不需考虑传热管磨损减薄这一因素。