核電站液壓管道流固耦合振動分析

楊理烽 張為榮

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1 分析背景

核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構要求具有很高的可靠性,因此需要盡可能降低執行機構液壓系統泄漏的風險,而管道的振動是執行機構液壓系統發生泄漏的主要原因之一,所以減小執行機構管道的振動非常關鍵。

執行機構液壓管道內介質的快速流動會誘發管道振動,而管道的振動又會影響介質的運動狀態,兩者互相影響,從而產生耦合振動。強烈的流固耦合作用會造成執行機構中液壓管道的振動,使卡套式管接頭容易松動,最終導致接頭泄漏或提高泄漏的風險。

以主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構快關通道中的折彎式回油管道為研究對象,驗證流固耦合作用對液壓管道振動的影響,分析管道在不同的折彎方式及有無管夾情況下的耦合振動特性,從而得出管道的合理折彎方式,以及使用管夾的必要性,有效降低核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構液壓管道的振動和泄漏風險。

2 流固耦合振動方程的應用

核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構使用活塞式蓄能器進行蓄能,蓄能器活塞兩側分別充滿了高壓氮氣和液壓油,氮氣和液壓油的壓力平衡?？礻P開始時,對蓄能器中的高壓氮氣進行近似絕熱膨脹,推動蓄能器活塞,通過液壓油傳遞壓力,從而使液壓缸活塞對外界做功,在5 s內實現閥門的快速關閉。由于快關過程的時間短,流量大,并且流量隨時間快速變化,因此會導致管道內部的介質和管道之間的流固耦合振動。根據Teneralli建模思想,考慮軸向泊松耦合,忽略摩擦效應,采用適用于直管和彎管的一介時域偏微分振動方程。

3 液壓油流速與時間關系

使用Simulation X軟件對核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構進行仿真計算,得出快關時回油通道中液壓油流速與時間的關系曲線,如圖1所示。

▲圖1 液壓油流速與時間關系曲線

回油管道的內徑為13 mm,以設圖1中的1.02 s為起始, 即新的0 s,估算出回油管道中液壓油流速V與時間t的關系,為:

(1)

4 建模

筆者通過分析核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構快關回路回油管道的流固耦合振動特性,為最大限度降低管道振動找到最佳的解決方法。對此,需要考慮執行機構內部介質與管道結構之間的互相影響。ANSYS軟件在求解流固耦合問題時采用的方法包括單向流固耦合分析法和雙向流固耦合分析法,結合筆者對核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構的分析思路,采用雙向流固耦合分析法,完成回油管道的流固耦合振動仿真計算。

筆者選擇該執行機構快關通道的某一段回油管道進行建模,管道的三維模型如圖 2 所示。管道左端為進口端,右端為出口端,管道內部為流體域。

▲圖2 管道三維模型

回油管道采用精密無縫鋼管,介質為HFDU 68合成酯抗燃液壓油,管道參數見表1。

表1 管道參數

將選取的回油管道作為固體域,將內部介質作為液體域,對回油管道在Mechanical模塊中進行Sweep網格劃分,共有67 824個節點、53 950個單元。內部介質在CFX軟件的Mesh模塊中進行網格劃分,共有186 345個節點、171 612個單元。網格劃分如圖3、圖4所示。

▲圖3 固體域網格劃分▲圖4 流體域網格劃分

對回油管道兩端施加固定約束,根據上文估算的流量與時間關系,編制管道進口端流速加載程序,如圖5所示。將流速加載至管道進口端,管道出口端的壓力設為零。

▲圖5 管道進口端流速加載程序

5 仿真結果

仿真結果表明,回油管道的最大變形處位于管道第一個折彎位置。選取該位置截面的一個點作為特征點,特征點的總位移曲線如圖6所示,特征點的總加速度曲線如圖7所示。

▲圖6 特征點總位移曲線▲圖7 特征點總加速度曲線

由圖6可以看出,回油管道在流速隨時間變化的流體作用下,特征點位移不斷衰減,最終趨于平穩。由仿真結果得出,特征點最大總位移為1.585×10-4m,最大總加速度為2.165 m/s2。

無液壓油時與快關過程開始時的回油管道前十階固有頻率見表2。

表2 管道固有頻率 Hz

由表2可以看出,當管道中含有介質時,介質的作用使回油管道中各階固有頻率顯著降低,所以需要采取措施降低回油管道的流固耦合振動。

6 不同折彎路徑分析

將圖2作為折彎路徑Ⅰ,并設計另兩種折彎方式,折彎路徑Ⅱ如圖8所示,折彎路徑Ⅲ如圖9所示。這兩種折彎方式的左端均為進口端,右端均為出口端,管道中間段的平均高度與折彎路徑Ⅰ一致。

▲圖8 折彎路徑Ⅱ▲圖9 折彎路徑Ⅲ

對這兩種管道分別進行雙向流固耦合分析,均在管道的變形最大位置選取一點作為特征點,折彎路徑Ⅱ的特征點總位移曲線及總加速度曲線分別如圖10、圖11所示,折彎路徑Ⅲ的特征點總位移曲線及總加速度曲線分別如圖12、圖13所示。

▲圖10 折彎路徑Ⅱ特征點總位移曲線▲圖11 折彎路徑Ⅱ特征點總加速度曲線

▲圖12 折彎路徑Ⅲ特征點總位移曲線▲圖13 折彎路徑Ⅲ特征點總加速度曲線

7 增加管夾后分析

在回油管道距離進口端和出口端200 mm的位置處各增加一個管夾,管夾的底端采用固定約束,管夾與管道設為綁定接觸,對三種折彎路徑依次進行雙向流固耦合分析。

同樣,在管道的變形最大位置選取一個點作為特征點,折彎路徑Ⅰ的特征點總位移曲線及總加速度曲線分別如圖14、圖15所示,折彎路徑Ⅱ的特征點總位移曲線及總加速度曲線分別如圖16、圖17所示,折彎路徑Ⅲ的特征點總位移曲線及總加速度曲線分別如圖18、圖19所示。

▲圖15 增加管夾后折彎路徑Ⅰ特征點總加速度曲線▲圖16 增加管夾后折彎路徑Ⅱ特征點總位移曲線▲圖17 增加管夾后折彎路徑Ⅱ特征點總加速度曲線▲圖18 增加管夾后折彎路徑Ⅲ特征點總位移曲線

▲圖19 增加管夾后折彎路徑Ⅲ特征點總加速度曲線

8 仿真結論

根據仿真結果,對三種折彎路徑最大變形位置特征點的總位移曲線及總加速度曲線進行比較,可以發現位移和加速度最大的是折彎路徑Ⅲ,其次為折彎路徑Ⅱ,折彎路徑Ⅰ最小,說明在折彎路徑Ⅰ中流體狀態相對較為平緩穩定,采用折彎路徑Ⅰ對于減小管道的流固耦合振動較為合理。

增加管夾后,三種折彎路徑的總位移和總加速度都明顯減小。折彎路徑Ⅰ增加管夾后,總位移峰值為1.389×10-5m,總加速度峰值為0.494 m/s2,與未增加管夾時的情況相比,總位移峰值減小92%,總加速度峰值減小77%。

因此,在增加管夾約束管道后,回油管道在特征點的振動位移和加速度均有大幅度減小。

9 結束語

綜上所述,合理使用管夾加固管道是降低核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構液壓管道流固耦合振動的有效方法。對于液壓管道的折彎方式,盡量均勻地控制管道各處的折彎半徑,能夠很好地減小管道的流固耦合振動。

上述方法能夠有效降低核電站主蒸汽隔離閥氣液聯動執行機構液壓系統的管道振動,為執行機構管路系統的結構設計提供重要參考,也為提高執行機構的運行可靠性奠定了良好基礎。