海洋工況下穩壓器自由液面晃蕩效應分析及預防措施研究

郝天才+劉科+路廣遙

摘 要：自由液面晃動問題對海洋浮動平臺反應堆系統穩壓器的穩定運行及一回路冷卻劑系統的壓力穩定性有著很大的影響。為了保證穩壓器及壓力安全系統的穩定運行，對反應堆一回路系統主設備穩壓器內自由液面在運行期間的晃蕩效應及其潛在影響進行了分析，在此基礎上開展對應的預防措施研究，結合穩壓器自身結構給出了可行的防晃措施，對海洋工況下的穩壓器設計提供了參考。

關鍵詞：海洋工況；穩壓器；晃蕩效應；預防措施

中圖分類號： U661 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）36-175-2

1 概述

液體晃蕩現象在工程各個領域廣泛存在，如航空航天中飛機發動機油箱內燃油的晃動、航天器中液體推進劑的晃動、陸上的大型油罐運輸車以及海上大型載液貨輪內油品等液體的晃動等，都屬于該現象。從廣義范疇講它是指容器內液體介質的運動。除空載和滿載外，任何一個載液系統在一定條件下都可能發生晃蕩現象。晃蕩效應對設備及系統的穩定性和安全性造成負面影響，嚴重時會導致設備損壞、介質泄露等安全事故。

隨著核電技術的發展，海上小型堆作為一種新的技術，受到國內外核電領域的廣泛關注，其關鍵技術是將核電反應堆系統跟海上浮動平臺結合，實現小型化、模塊化及可移動等。其中，穩壓器作為控制其反應堆冷卻劑系統壓力穩定的關鍵設備，其主要功能是在反應堆啟堆、停堆、穩態運行、正常功率變化及各種事故工況下，它與相應的系統協調工作，借助電加熱元件的加熱形成蒸汽和噴淋系統噴淋冷水冷凝蒸汽使飽和水—飽和汽處于兩相平衡狀態，維持和控制冷卻劑系統壓力穩定。而穩壓器內介質為60%的飽和水和40%的飽和蒸汽，因此存在汽水界面。在海洋工況下，穩壓器會隨浮動平臺一起在風、浪、流等環境載荷的作用下，會產生橫蕩、縱蕩、橫搖、縱搖、升沉、平搖6個自由度的運動。同時穩壓器內自由液面會隨船體的搖擺而發生晃蕩現象。

穩壓器自由液面晃蕩會造成穩壓器內水位的變化，穩壓器的重心也隨之變化，對應穩壓器底部的裙式支座會受到一個周期性的疲勞載荷，日積月累連續晃動會對支承的連接件松動，同時長時間的晃蕩會對穩壓器容器內壁面的堆焊層造成疲勞沖擊及磨損，對穩壓器的結構強度及可靠性造成影響；此外，由于穩壓器本身功能是用于一回路壓力穩定和調節，其水空間與一回路系統通過波動管連通，液面的晃動會對一回路的壓力穩定和平衡造成沖擊和影響，同時水躍現象會造成位于穩壓器筒體上的高水位液位測量儀表的誤報警，造成反應堆誤停堆，從而影響反應堆的正常運行。

2 穩壓器液體晃蕩效應分析

穩壓器內液體的晃蕩效應取決于穩壓器的幾何形狀（高徑比）、內部構件（阻尼板的設置與否、數量、形狀、布置等）、自由液面的高度、液體的物理屬性（如密度、粘度等）及外部海洋條件、運行狀況等環境載荷激勵，根據不同條件，穩壓器內通常會產生四種不同的晃蕩波：駐波、行進波、水躍及三者的組合波，如圖1。

穩壓器的幾何形狀根據其功能要求為立式高溫高壓的圓柱型容器，一般高徑比為3～5。其內部液體為15.5MPa壓力和343℃的飽和水和飽和蒸汽，考慮到穩壓器頂部的噴淋及飽和水的汽化，穩壓器內部自由液面不宜設置阻尼板；本文中海上小堆核電廠其使用場景與海上浮式生產儲油裝置（FPSO）相近，因此海洋環境參數參考《海上浮式裝置入級規范》及相關國標確定，小堆穩壓器的振動環境要求如下表：

研究自由液面晃蕩問題的方法主要有試驗方法、理論方法和數值方法。其中理論研究一般針對具體工況作一些相應假設，建立數學模型，利用連續方程、動量方程和能量方程，通過采用線性勢流理論求出問題的解析解（如液體晃蕩的振型、固有頻率）；試驗方法相對精確和直觀，也更為可靠和有效，但需要較大的試驗費用投入和較長的周期，需要選擇相似的試驗模型及相似的試驗條件；目前隨之計算機水平的發展，數值模擬方法已成為自由液面晃蕩的重要方法，尤其對晃動的非線性特性研究有較大的優勢。如邊界元法、有限元法、有限體積法、VOF法、MAC法等。

通過有限元法計算及CFD數值模擬，在穩壓器高徑比約為3.5，液面深度為5m的情況下，穩壓器內自由液面的固有頻率為1.05Hz，在海洋小堆外部振動載荷激勵下表現為組合波，由于海洋工況的復雜性和隨機性，在突發沖擊載荷情況下，會發生水躍現象。為防止該現象對穩壓器和一回路反應堆系統正常運行的影響，需要采取合理的措施。

3 穩壓器防晃措施研究

通過調研發現在航空、航海及路上運輸工程上，對自由液面防晃措施的設計一般是通過設計合理的容器形狀和對容器內部結構進行合理改進來實現的。由于穩壓器本身的設計及工藝要求，其容器結構必須為立式圓柱形細長結構，容器內的充液比為60%左右，此外穩壓器在平臺上的布置高度相對較高，因此其晃動相對其他設備還要劇烈；因此，較為可行的措施是在穩壓器自由液面以下設置合理的阻尼裝置（如防晃蕩擋板結構）來提高其阻尼，以達到對晃蕩的抑制。常用的防晃蕩裝置包括水平擋板和豎直擋板，水平的有圓環形擋板、非對稱半圓形擋板、Z型擋板、非金屬彈性板等，豎直擋板也包括矩形板、圓柱形板、錐形板等。根據具體的容器結構和工藝需求選擇合理的阻尼結構。

穩壓器阻尼結構在設計時需要考慮其頂部的噴霧頭噴淋和底部的電加熱器加熱均勻性，以及自由液面部分的汽液轉變（飽和水汽化和蒸汽冷凝）等特殊要求，還要考慮到安裝檢修的可達性及加工制造難度。此外還要通過數值模擬和理論計算選擇合理的板厚、開孔直徑、支承位置等。通過迭代計算和分析，本穩壓器阻尼裝置為水平圓形隔板為主，其表面焊有豎直圓環形翅片板的結構，如圖2所示。通過計算模擬，該結構極大的提高了穩壓器內液體的阻尼，克服了海洋搖擺工況下自由液面的水躍現象，并對晃蕩現象也起到抑制作用。在水平隔板上均布有供流水的過水圓孔，保證了汽水的連通及相變轉換。另外整個裝置通過螺栓螺母緊固件固定在設置與穩壓器筒體內壁上的四個支承組件上面，為防止長期振動過程中緊固件的松脫，對緊固件進行了點焊處理。

4 小結

本文針對海洋搖擺工況下穩壓器自由液面的晃蕩問題，進行了理論分析數值計算研究，并對晃動特性及研究方法進行了闡述和比較，在此基礎上設計了適用于穩壓器結構的防晃液阻尼裝置，并用CFD軟件對該結構進行了數值模擬，從而為穩壓器晃蕩效應預防提供了可靠的結構參考。對海洋條件下穩壓器防晃裝置的設計具有一定的參考性。

參 考 文 獻

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