H型防甩裝置吸能效果研究

張金換，李浩，周勇

（清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

前言

環境與能源問題一直是困擾社會發展的重要問題，以煤炭為主的能源結構已經無法適應經濟快速發展和對清潔能源的要求。核電作為一種清潔能源，對于滿足電力能源要求、優化能源結構、減輕污染、促進經濟能源的可持續發展有重要的作用。

截至2016年底，我國核電裝機容量達到3364萬千瓦，在建機組約2139萬千瓦。國家能源局發布的《2017年能源工作指導意見》中提出，2017年實現煤炭去產能5000萬噸，同時大力發展核電，積極推進已開工核電項目，年內計劃新增裝機規模641萬千瓦[2]。《電力發展“十三五”規劃》中提出，到 2020年核電裝機達到 5800萬千瓦，在建核電機組 3000萬千瓦以上[3]。

核電廠的高能管道輸送高溫高壓的介質，一旦管道斷裂，管道很容易發生甩擊，對相鄰的建筑物和其他管道產生類似于飛射物性質的沖擊，產生惡性連鎖反應。

為了減小管道甩擊來帶的破壞，需要根據高能管道的布置特點、薄弱點、電廠整體結構等情況，安裝H型防甩擊系統，通過防甩裝置結構的變形吸收破壞能量[4]。

1 防甩裝置碰撞試驗

1.1 試驗臺架

試驗臺架在汽車碰撞試驗設備的基礎上進行改進，將試驗樣件固定在碰撞壁上，同時在碰撞臺車上安裝模擬管道形狀的沖擊頭。試驗臺架如圖1所示。

圖1 試驗臺架

1.2 試驗結果

試驗沖擊能量為100kJ，試驗條件輸入如表1所示。

表1 試驗條件輸入

試驗過程中樣件的最終變形情況如圖2所示。

圖2 樣件變形情況

通過對高速攝像的處理，可以得到沖擊錘頭的位移情況如圖3所示。

圖3 臺車位移曲線

試驗過程中采集的沖擊臺車的加速度曲線如圖4所示。

圖4 臺車加速度時程曲線

從實驗數據可以看出，樣件最大變形量為25mm左右，減速過程中臺車的最大加速度大約為275g。

2 仿真分析

2.1 建立仿真模型

為了更好的研究樣件在受沖擊過程中的響應情況，建立了有限元仿真模型。為了便于計算，將臺車進行簡化，總質量集中在沖擊頭部分，仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

模型中樣件的材料參數如表2所示。

表2 樣件材料參數

2.2 模型與試驗結果對標

圖6為試驗與仿真的加速度結果對比。通過加速度曲線可以看出，仿真與試驗的加速度峰值誤差很小，脈寬基本一致，說明仿真模型能夠很好的再現試驗過程中樣件的響應狀態。

圖6 仿真與試驗加速度對比

2.3 變形過程中樣件內部應力應變情況

圖7 樣件內部應變分布

由于樣件側壁蜂窩孔的作用，導致局部位置會出現應力相對較大的情況，通過仿真可以直觀看出應變和應力在樣件中的分布。樣件應力分布如圖7所示。

3 總結

從圖7可以看出，由于蜂窩孔的存在，導致應力分布不均勻，中間兩個孔徑圓心連線方向上由于材料厚度較小，導致應力較大，最大應力到870MPa。

圖6臺車加速度的峰值在4ms時達到最大，從內部應力分布來看，在4-5ms時內部局部應力達到最大，之后不斷減小。

在沖擊能量為100kJ時，應力分布不均勻，只有局部很小的位置應力較大，其他大部分應力水平較小，吸能效率較低。因此，如果在沖擊能量一定的情況下，可以減小樣件壁厚，或增加蜂窩孔徑來提高吸能效率，降低加速度。

由于時間限制，目前僅做了一種能量下的沖擊試驗，后續還會繼續進行不同能量的沖擊試驗以及仿真分析，深入研究樣件的吸能效果，同時，也會改變蜂窩孔徑的大小和形狀，進一步改進樣件，提高吸能效率，并降低沖擊過程中的加速度，盡可能保證事故中管道和周圍結構的安全。

參考文獻

[1] Palusamy S., Patrick W. L.,and Cloud R. L.,1974,“Dynamic Analysis of Pipe Whip Problems,” Nucl. Eng. Des., 31, pp. 106-116.

[2] 國家能源局. 2017年能源工作指導意見. 2017.

[3] 國家發展改革委員會,國家能源局.電力發展“十三五”規劃. 2016.[4] 操豐.基于雙線性法的高能管道假想破口載荷分析及H型防甩擊限制器設計[C]// 2010中國核電產業科技創新與發展論壇. 2010:64-68.

[5] Salmon M. A., and Verma V. K., 1976, “Rigid Plastic BeanModel for Pipe-whip Analysis,” J. Engng Mech. Div., Am. Soc. Civ. Engrs,102, pp. 415-430.

[6] Reid S. R., Yu T. X., and Yang J. L., 1995, “Response of An Elastic-plastic Tubular Cantilever Beam Subjected to Force Pulse at Its Tip:Small Deflection Analysis,” Int. J. Solids Struct., 32, pp. 3407-3421.

[7] 余同希,華云龍.核電站中管道破裂后的甩動及其防護[J].壓力容器,1986(1):73-79.

[8] 李承亮,鄧小云,陰志英,等.核電廠高能管道應用破前漏技術對材料力學性能的要求[J].原子能科學技術,2012, 46(b12):877-880.