數值模擬基礎上的核級管系中阻尼器削減分析

張俊媛　趙紅崗　陳超

摘 要：為了有效地解決阻尼器在核級管系中使用量的減少或者不使用問題，應采用數值模擬的計算方法，借助管道力學計算專業有限元分析軟件平臺。為了得到管道應力、支吊架反力和節點位移，對核級管道系統進行了大量的數值模擬計算。通過計算得到結果，然后對阻尼器削減前后的計算結果進行了分析對比。為了使阻尼器削減后的管系力學性能依然滿足設計規范的要求，根據阻尼器削減前后的計算結果，使部分支架的功能發生改變，不斷調整支架的位置，并用剛性支架代替阻尼器。

關鍵詞：數值模擬；核級管系；阻尼器；削減

中圖分類號：TL353+.11 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.082

近些年來，隨著我國經濟的發展和科學技術水平的提高，阻尼器在核電廠管道系統中得到了廣泛的應用。阻尼器的應用不僅能夠使管系的力學性能更好地達到設計標準，還有效地解決了振動載荷和熱膨脹載荷作用下管系2種不同力學行為之間的矛盾。但是，阻尼器依然存在諸多缺陷，比如維修困難、成本高等。因此，研究削減阻尼器在核電廠管道系統中的應用具有極大的現實意義。

在管道系統中，削減阻尼器后，管系的力學性能將達不到設計標準，它的特征也會發生巨大的變化。因此，采取一定的措施使管系的力學性能依然滿足設計要求是十分必要的。下面將對這一問題進行探討。

1 管道數值模擬計算的基本理論

解析法和數值法是管道系統力學主要的分析方法。一般而言，在對簡單問題求解的過程中，經常會使用解析法；在一些復雜問題的求解中，通常會使用數值法來獲得近似解。由于管道具有復雜的幾何形狀，因此管道系統工程是一項復雜的工程。在我國，以有限元法為基礎的管系應力分析程序在固體力學領域獲得了廣泛的應用。

對于離散化連續的管道系統，劃分網絡生成的有限元模型，建立管系幾何模型，以有限元方法來求得數學模型，是管道數值計算的基本思路。

管道力學分析的評定方法和基本過程是：①在管道系統內建立幾何模型，劃分網絡，幾何模型逐漸生成有限元模型，確定管系的結構、支架位置等信息是其主要內容。②依據系統設計要求確定工況具體的載荷量，考慮各種工況可增加的荷載，并根據每種工況下管系的變形、應力等計算各工況所承受的力、力矩及閥門的加速度。③組合計算結果，根據設計標準校對應力，審核管系自身是否失效。依據對接管載荷、閥門加速度等的核對確定其他結構受管道系統作用力的大小，并通過力學來分析核對結果，及時修改不滿足設計標準的管道系統力學性能，改變支架功能類型和布置位置等，然后再進行力學計算，直到管系力學性能達到標準要求。

2 阻尼器削減的原理和方法

由于受多種因素的影響，比如地震、流體動力的內部激勵等，管道系統很可能會產生振動性位移，進而導致管道系統過大的應力和變形。一般情況下，一方面為了使管道系統的剛度更大些，另一方面為了減少外載荷作用下的振動位移，可以設置剛性支架約束管道。剛性支架約束管道的設置不僅可以有效地降低管道的應力，還可以減少管系變形狀況的發生。但是，剛性支架在使用的過程中也有一定的缺陷，比如剛性支架不利于釋放熱膨脹位移，一旦工況的溫度較高，就很容易產生較大的支架反力和熱應力，進而使得管系的力學性能不能達到設計的要求。本文根據具體的工作實踐，總結出以下方法和步驟，以削減管系中的阻尼器：①計算得出初始管系模型，探究在一定的動載荷作用下，阻尼器支撐點的熱位移和阻尼器所承受的力，然后根據探究結果，直接去除支撐力較小的阻尼器，或是用剛性支架直接代替支撐點位移較小且支撐力較大的阻尼器。②分析探究阻尼器削減后的管系模型，了解支架承載的狀況和產生最大應力的負載量。當熱位移較大時，釋放約束。循環“計算—分析—修改支架設計”這一過程，直至管道力學性能能夠達到設計要求，進而實現設置的目標，有效削減在核電廠管道中阻尼器的數量，而不影響管道系統力學性能的正常發揮。

3 核級管系中的阻尼器削減

3.1 計算模型描述

管系模型中的基本參數為：管內流體均為水，大、小管道的直徑分別為400 mm和100 mm，管道的壁厚分別為16.66 mm和11.13 mm；管系抗地震能力為2級，管系中閥門質量分別為115 kg和9 kg。

3.2 計算過程與結果分析

在各工況下，管系中最大應力處的應力比值小于1，設計允許值大于接管荷載。研究發現，當管系中的最大應力比值大于1時，達不到設計標準，是不合格的。因此，為了使其達到標準，應該使用復雜管道應力分析中的支吊架布置方法。為了合理地修改部分支吊架，應充分考慮地震荷載作用。因此，在某種程度上，需要對地震荷載作用下的管道變形進行合理的分析，并根據設計標準，合理地設置接管載荷、閥門加速度和最大應力比值。

4 結論

綜上所述，本文分析總結了數值模擬基礎上的核級管系中阻尼器削減的方法，采用了數值模擬的計算方法，分析了管道系統的節點位移、應力和支吊架反力。通過不斷實驗與修正，找到了能夠削減阻尼器的方法，并且能夠達到設計標準，實現設計目標。

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〔編輯：劉曉芳〕