数值模拟基础上的核级管系中阻尼器削减分析

张俊媛　赵红岗　陈超

摘 要：为了有效地解决阻尼器在核级管系中使用量的减少或者不使用问题，应采用数值模拟的计算方法，借助管道力学计算专业有限元分析软件平台。为了得到管道应力、支吊架反力和节点位移，对核级管道系统进行了大量的数值模拟计算。通过计算得到结果，然后对阻尼器削减前后的计算结果进行了分析对比。为了使阻尼器削减后的管系力学性能依然满足设计规范的要求，根据阻尼器削减前后的计算结果，使部分支架的功能发生改变，不断调整支架的位置，并用刚性支架代替阻尼器。

关键词：数值模拟；核级管系；阻尼器；削减

中图分类号：TL353+.11 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.082

近些年来，随着我国经济的发展和科学技术水平的提高，阻尼器在核电厂管道系统中得到了广泛的应用。阻尼器的应用不仅能够使管系的力学性能更好地达到设计标准，还有效地解决了振动载荷和热膨胀载荷作用下管系2种不同力学行为之间的矛盾。但是，阻尼器依然存在诸多缺陷，比如维修困难、成本高等。因此，研究削减阻尼器在核电厂管道系统中的应用具有极大的现实意义。

在管道系统中，削减阻尼器后，管系的力学性能将达不到设计标准，它的特征也会发生巨大的变化。因此，采取一定的措施使管系的力学性能依然满足设计要求是十分必要的。下面将对这一问题进行探讨。

1 管道数值模拟计算的基本理论

解析法和数值法是管道系统力学主要的分析方法。一般而言，在对简单问题求解的过程中，经常会使用解析法；在一些复杂问题的求解中，通常会使用数值法来获得近似解。由于管道具有复杂的几何形状，因此管道系统工程是一项复杂的工程。在我国，以有限元法为基础的管系应力分析程序在固体力学领域获得了广泛的应用。

对于离散化连续的管道系统，划分网络生成的有限元模型，建立管系几何模型，以有限元方法来求得数学模型，是管道数值计算的基本思路。

管道力学分析的评定方法和基本过程是：①在管道系统内建立几何模型，划分网络，几何模型逐渐生成有限元模型，确定管系的结构、支架位置等信息是其主要内容。②依据系统设计要求确定工况具体的载荷量，考虑各种工况可增加的荷载，并根据每种工况下管系的变形、应力等计算各工况所承受的力、力矩及阀门的加速度。③组合计算结果，根据设计标准校对应力，审核管系自身是否失效。依据对接管载荷、阀门加速度等的核对确定其他结构受管道系统作用力的大小，并通过力学来分析核对结果，及时修改不满足设计标准的管道系统力学性能，改变支架功能类型和布置位置等，然后再进行力学计算，直到管系力学性能达到标准要求。

2 阻尼器削减的原理和方法

由于受多种因素的影响，比如地震、流体动力的内部激励等，管道系统很可能会产生振动性位移，进而导致管道系统过大的应力和变形。一般情况下，一方面为了使管道系统的刚度更大些，另一方面为了减少外载荷作用下的振动位移，可以设置刚性支架约束管道。刚性支架约束管道的设置不仅可以有效地降低管道的应力，还可以减少管系变形状况的发生。但是，刚性支架在使用的过程中也有一定的缺陷，比如刚性支架不利于释放热膨胀位移，一旦工况的温度较高，就很容易产生较大的支架反力和热应力，进而使得管系的力学性能不能达到设计的要求。本文根据具体的工作实践，总结出以下方法和步骤，以削减管系中的阻尼器：①计算得出初始管系模型，探究在一定的动载荷作用下，阻尼器支撑点的热位移和阻尼器所承受的力，然后根据探究结果，直接去除支撑力较小的阻尼器，或是用刚性支架直接代替支撑点位移较小且支撑力较大的阻尼器。②分析探究阻尼器削减后的管系模型，了解支架承载的状况和产生最大应力的负载量。当热位移较大时，释放约束。循环“计算—分析—修改支架设计”这一过程，直至管道力学性能能够达到设计要求，进而实现设置的目标，有效削减在核电厂管道中阻尼器的数量，而不影响管道系统力学性能的正常发挥。

3 核级管系中的阻尼器削减

3.1 计算模型描述

管系模型中的基本参数为：管内流体均为水，大、小管道的直径分别为400 mm和100 mm，管道的壁厚分别为16.66 mm和11.13 mm；管系抗地震能力为2级，管系中阀门质量分别为115 kg和9 kg。

3.2 计算过程与结果分析

在各工况下，管系中最大应力处的应力比值小于1，设计允许值大于接管荷载。研究发现，当管系中的最大应力比值大于1时，达不到设计标准，是不合格的。因此，为了使其达到标准，应该使用复杂管道应力分析中的支吊架布置方法。为了合理地修改部分支吊架，应充分考虑地震荷载作用。因此，在某种程度上，需要对地震荷载作用下的管道变形进行合理的分析，并根据设计标准，合理地设置接管载荷、阀门加速度和最大应力比值。

4 结论

综上所述，本文分析总结了数值模拟基础上的核级管系中阻尼器削减的方法，采用了数值模拟的计算方法，分析了管道系统的节点位移、应力和支吊架反力。通过不断实验与修正，找到了能够削减阻尼器的方法，并且能够达到设计标准，实现设计目标。

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〔编辑：刘晓芳〕