淺析CPR1000核電廠防甩裝置安全性試驗設計

梁玉波（江蘇電力裝備有限公司，江蘇 常州 213012）

淺析CPR1000核電廠防甩裝置安全性試驗設計

梁玉波
（江蘇電力裝備有限公司，江蘇 常州 213012）

通過本文的防甩裝置安全性試驗設計驗證CPR1000核電廠防甩裝置的安全性；獲取實測的U-bolt沖擊試驗和材料動態拉伸試驗數據，對現有甩擊力計算方法進行驗證與改進，為設計提供參考和依據；有助于實現核島防甩裝置的國產化。

核電廠；防甩裝置；安全性試驗

1　引言

核電廠高能管道在運行期間會有壓力的脈動和過高的壓力出現，使管道材料機械性能降低，從而可能引起管道破裂。管道突然破裂，泄露的高壓流體會對管道產生很大的橫向力，在噴射力的作用下，破裂的管道會產生很高的橫向速度，并使管道繞著管道上的一個局部變形區作高速旋轉運動，即管道甩動現象，破裂的管道會打到其他管道、設備或儀表上，造成這些器件的破壞，從而加劇事故的嚴重性，造成連鎖式的危害。為了減輕管道破裂產生的后果，需要對管道破裂后的甩動規律進行認真研究，并設置相應的防護措施，盡量減少可能的破壞。

為了驗證驗證CPR1000核電廠防甩裝置的安全性，對防甩裝置（以下簡稱U-bolt）進行沖擊試驗、材料動態拉伸試驗和計算機仿真模擬，以獲取實測的U-bolt沖擊試驗和材料動態拉伸試驗數據，對現有甩擊力計算方法進行驗證與改進，為設計提供參考和依據，同時也將有助于實現核島防甩裝置的國產化。

2　試驗設備和儀器

2.1電子萬能試驗機

低應變率拉伸試驗使用電子萬能試驗機進行。該電子萬能試驗機型號為DDL50，由長春機械科學研究院有限公司制造，可實現0～500 mm/min的加載速度，最高載荷達50 kN，主要包括加載試驗系統和數據采集系統。配置不同夾具，可用于金屬材料、非金屬材料、復合材料性能的拉伸、雙向拉伸、壓縮、剪切、壓彎、扭轉、剪切、剝離、撕裂以及應力、應變控制試驗等。同時和試驗機廠家合作開發，將試驗室非接觸圖像采集系統集成于一體，提高了試驗中變形測量精度。

2.2中應變率液壓伺服材料試驗機

中應變率拉伸試驗使用中應變率液壓伺服材料試驗機進行。該試驗設備由試驗室自主設計，采用了液壓動力系統，可以在試驗過程中提供穩定的動力輸入，通過設計不同尺寸的試件，中應變率材料試驗機可以實現汽車碰撞模擬中重點關注的1～500 /s應變率范圍的材料拉伸試驗，同時設計不同夾具，在該設備上實現了材料的剪切、壓縮、彎曲、穿孔等試驗。

3　CPR1000核電廠防甩裝置安全性試驗安排

CPR1000核電廠防甩裝置的安全性試驗內容包括3種不同的U-bolt進行沖擊試驗、材料拉伸試驗和計算機仿真模擬。

3.1沖擊試驗

對3種不同結構的U-bolt，包括有護板和無護板情況，在指定的能量下進行臺車動態沖擊試驗。其中對U-bolt-1進行10次有效的臺車動態沖擊試驗，對U-bolt-2和U-bolt-3各進行4次有效的臺車動態沖擊試驗。

3.2材料拉伸試驗

主要包括：臺車動態沖擊后靜態拉伸試驗、：在沖擊試驗結束后，選取試驗后為斷裂并且無護板的U-bolt進行靜態拉伸試驗。其中對U-bolt-1進行7次有效的臺車動態試驗后的靜態拉伸試驗，對U-bolt-2和U-bolt-3分別進行3次有效的臺車動態試驗后的靜態拉伸試驗。

4　CPR1000核電廠防甩裝置安全性試驗設計方案

4.1U-bolt靜態拉伸試驗

進行U-bolt靜態拉伸試驗是為了找到U-bolt結構上的薄弱處。進行U-bolt靜態拉伸試驗需要針對3種U-bolt結構分別進行夾具的設計，由于U-bolt本身尺寸較大，需提前確定萬能試驗機是否能夠完成U-bolt靜態拉伸試驗，如不能需要更換行程更大的試驗儀器設備。

在U-bolt靜態拉伸試驗過程中，萬能試驗機自身能夠采集加載力、加載時間和位移信息。此外，在合適的條件下可以在U-bolt結構的弧頂、圓弧與直管相交處和直管底端分別粘貼應變片，測量靜態拉伸過程中U-bolt各處的應變信息。試驗流程如下：

（1）安裝夾具；

（2）對試件進行編號，粘貼應變片，拍照；

（3）根據試驗內容調整試驗設備參數，測量試驗室內溫度、濕度；

（4）裝夾試件，并檢查；

（5）操作試驗設備進行拉伸，同時完成試驗數據采集；

（6）保存試驗數據；

（7）拆卸試件，拍照，準備下一次試驗。

4.2U-bolt動態沖擊試驗

U-bolt動態沖擊試驗主要模擬實際管道破裂后對U-bolt的沖擊，檢驗U-bolt的吸能。試驗中通過調整臺車速度和質量使臺車以試驗規定的能量撞擊U-bolt，在碰撞過程中忽略摩擦、U-bolt安裝支架變形等引起的能量損耗，認為臺車的全部動能均由U-bolt變形吸收。

試驗過程中需要根據3種不同的U-bolt結構設計安裝支架，并設計臺車的碰撞頭。之后進行試撞，根據試裝結果檢驗試驗中設置的撞擊能量的合理性，并進行調整。試驗中在臺車上安裝2-3個加速度傳感器，采集臺車加速度信號，在合適的條件下可以在U-bolt結構的弧頂、圓弧與直管相交處和直管底端分別粘貼應變片，測量動態沖擊過程中U-bolt各處的應變信息。試驗中U-bolt水平放置，臺車前安裝豎管與其碰撞。

5　結語

核電廠防甩裝置安全性試驗設計是一項復雜的系統性工程，防甩擊結構在CPR1000壓水堆核電站中占有非常重要的地位，因此只有對其內部及外部與公共安全相關的因素進行全面的評估，最終使得核安全的風險大大降低。本文論述了核電站防甩裝置性能實驗測試規范，設計了實驗過程，為核電站防甩裝置性能測試提供依據。

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［2］馮奕敏，周雷靖.核電站常規島內防甩擊結構設計簡介［J］.建筑設計，2009（11）:17-18.

［3］彭雪平，周玉.核電站常規島防甩裝置動力荷載分析［J］.廣東土木與建筑，2010（09）:15-17.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.144

梁玉波（1980-），男，遼寧建平人，工程師，江蘇電力裝備有限公司設計人員。