冰塞行成過(guò)程中管道溫度場(chǎng)理論研究

摘要：在核電站工藝系統(tǒng)中，當(dāng)管道上的設(shè)備需要進(jìn)行解體或必須拆除才能進(jìn)行維修時(shí)，就必須對(duì)該設(shè)備上下游進(jìn)行隔離或者進(jìn)行管道內(nèi)液體的疏排。在系統(tǒng)不能隔離時(shí)，采用冰塞進(jìn)行系統(tǒng)隔離是一種可行的方法。本文基于ANSYS軟件的運(yùn)用對(duì)某核電站冰塞形成過(guò)程中管道溫度場(chǎng)進(jìn)行了理論分析。進(jìn)而得出冰塞形成的確切時(shí)刻，以及某時(shí)域內(nèi)冰塞厚度的變化情況，以保證冰塞形成后具有一定的強(qiáng)度。為冰塞技術(shù)進(jìn)一步的應(yīng)用研究提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：冰塞溫度場(chǎng)ANSYS計(jì)算

中圖分類號(hào)：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2011)2(c)-0000-00

具備制備冰塞的能力對(duì)重水堆核電站的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性有重大意義。它能有效地隔離系統(tǒng)，同時(shí)又可避免整個(gè)系統(tǒng)的停運(yùn)或疏排、重水系統(tǒng)重水的降級(jí)，以及放射性物質(zhì)的外逸。并且冰塞的應(yīng)用具有操作簡(jiǎn)單、效果明顯、方法可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)外，很多電廠、化工企業(yè)都采用這種先進(jìn)方式作為設(shè)備維修的隔離措施，收到了良好效果。

1 管道溫度場(chǎng)計(jì)算模型

本文以某核電站10英寸管道作為研究對(duì)象。

由于實(shí)際管道與冰塞夾套都是圓筒形結(jié)構(gòu)，屬軸對(duì)稱問(wèn)題，故可以截取其剖面作為幾何模型。而且，在不考慮管道兩端閥門、彎角、焊縫等因素的情況下，該模型沿軸向也是呈對(duì)稱分布，因而取如圖1所示的四分之一剖面作為分析對(duì)象是可行的。

之所以把管壁分成兩部分，是因?yàn)槠渲杏幸徊糠质歉采w在冰塞夾套之下，將其分開處理能更有效地添加溫度載荷。

由于模型是較為規(guī)則的圖像，所以采用四方形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這種網(wǎng)格的劃分將很好的消除計(jì)算中帶來(lái)的誤差。同時(shí)，因?yàn)槭?/4剖面，所以只要在中軸線和中心線上施加位移約束，而另兩邊則讓其自由運(yùn)動(dòng)。

2 溫度場(chǎng)分析

2.1 管道凍結(jié)時(shí)刻

冰塞形成的時(shí)刻是一個(gè)比較重要的時(shí)間點(diǎn)。

因冰塞一旦形成，整個(gè)管道即完全被堵住了，接下來(lái)就能安全地實(shí)施對(duì)管道的分解、修補(bǔ)等工作。但目前國(guó)內(nèi)由于資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)重缺乏，使得很多單位在實(shí)施冰塞時(shí)，不確定冰塞形成的具體時(shí)間。這就造成了時(shí)間和金錢上的大量損失，效率很低。

本文歸納出冰塞完全形成的確切時(shí)間，以利于參考。

我們?cè)贏NSYS算得的溫度場(chǎng)中選取點(diǎn)A（見圖1）作為研究對(duì)象。由點(diǎn)A所處的位置可看出，當(dāng)點(diǎn)A處的溫度低于零度時(shí)，就可以認(rèn)為在徑向上此處已結(jié)冰。

圖2 點(diǎn)A溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

從圖2中可以看出，在兩段平滑曲線之間，有一小段水平線，這里正是水→冰的相變過(guò)程，因?yàn)闈摕岬拇嬖谠斐闪藴囟润E降的短暫停歇，但這并未耗費(fèi)多少時(shí)間。

從圖2中我們能直觀的了解這短暫的“瞬間”。在11200秒到12200秒這1000秒、20分鐘不到的時(shí)間里，該處的溫度從＋1℃變化到了－1℃，而水的凝固溫度正是在0℃。

但考慮到0℃度，水的狀態(tài)應(yīng)該是固液混合狀態(tài)，在嚴(yán)格意義上并不能稱之為完全結(jié)冰。故我們?cè)O(shè)定水在－1℃時(shí)凝固為冰，因而點(diǎn)A處結(jié)冰的時(shí)刻應(yīng)該是12200秒這一時(shí)間點(diǎn)。即：在冰塞加載后12200秒，管道開始堵塞。

2.2冰塞厚度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，整塊冰塊最薄的地方在管道軸線處。然而，此時(shí)在管道軸線上的冰塊剛剛形成，厚度強(qiáng)度都達(dá)不到要求，很容易被擠破，因而這樣的冰塞很不穩(wěn)定。

我們選取管道軸線上以點(diǎn)A為起點(diǎn)的一段線段，將對(duì)應(yīng)溫度映射到該路徑上，觀察此路徑上溫度隨著到A點(diǎn)距離的變化情況。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為大約20cm厚的冰塊，能承受較大的擠壓應(yīng)力而不受破壞。

選取軸線上距離A點(diǎn)20cm處的點(diǎn)B，觀察溫度在路徑AB上隨時(shí)間的分布。

圖3 12800秒溫度隨路徑變化關(guān)系曲線

如圖3所示，在12800秒，軸線上A點(diǎn)與B點(diǎn)20cm以內(nèi)的所有點(diǎn)溫度都在－1℃以下，意即此時(shí)的冰塞在最薄處厚度也超過(guò)了20cm。由此可以斷定，冰塞完全形成。

10英寸管道的冰塞完全形成時(shí)間為12800秒，約三個(gè)半小時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文由ANSYS熱分析計(jì)算的結(jié)果，通過(guò)研究隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)分布圖，進(jìn)行系統(tǒng)、詳細(xì)的分析。得出冰塞形成的確切時(shí)刻，以及某時(shí)域內(nèi)冰塞厚度的變化情況，從而保證冰塞形成后具有一定的強(qiáng)度。（2）通過(guò)對(duì)某核電站冰塞管道形成過(guò)程中溫度場(chǎng)的理論分析、研究，為冰塞技術(shù)在國(guó)內(nèi)的進(jìn)一步應(yīng)用、推廣提供了一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 《Use of Ice Plug》，98-90001-STI-PG04m1，Rev 0，AECL

[2] 《Nuclear Piping System Material Specification》，98-30000-TS-010，Rev 2，AECL