外来物对蒸汽发生器传热管损坏的评估.pdf

核电站2003 年第 4 期 专论与译文 19 外来物对蒸汽发生器传热管损坏的评估 Dae-Hee Lee Jeong-Yoon Lee韩国 摘要蒸汽发生器二次侧传热管经常受到磨损损坏这可以通过除去外来物来防止但有时候 使用现有的维修技术还不能除去这些外来物在这些情况下就要评估这些蒸汽发生器传热管的 完整性 1引言 在蒸汽发生器 SG 二次侧里的外来物在材料 大小和形状方面是各种各样的这些外来物会随着 流体流动而移动通过传热管与外来物之间的磨擦 而磨损管子这种磨损可以通过除去外来物来防 止但是使用目前的维修技术还不能把这些外来物 除去 要估算在各种工况下发生的磨损量是非常困 难的因为要预测 SG 传热管的磨损包括许多不确 定性如外来物的大小和位置等 进行试验是评估 SG 传热管完整性的最好途径 然而由于试验成本很高经济性差如果开发一 个足够稳妥的分析方法并用该方法预测 SG 传热 管的磨损那么这个问题就能比较经济地解决而 不做试验 蒸汽发生器里外来物引起传热管磨损的分析 是由计算机程序进行的它能预测由于外来物的损 坏而导致的传热管剩余寿命 2传热管破损的例子 外来物定义为根据蒸汽发生器的设计运行或 维修不应该在蒸汽发生器内存在的物质这些物质 是松动的或固定的下面是外来物引起 SG 传热管 破损的例子 2.1 外来物种类 a. 工具式零件如由制造或维修工作时留下 的钻头螺母螺栓等 b.人身携带如珠宝饰物硬币等 c.运行时断裂的传热管 支撑板和内部结构件 2.2 出现外来物的例子 a. 普雷里岛(Prairil Island)1#(1979) ? 外来物线圈弹簧片长 8.5宽 1.26 ? 事故详情传热管破裂 破损管子相邻的壁 厚减少 20%和 65% b.尖角滩(Point Beach)(1982) ? 外来物C 形夹钳(581/23/8)及其它 松动另件; ? 事故详情传热管泄漏 c.京纳(R E Ginna)(1982) ? 外来物折断的管子长 4宽 3/4和 一些松动另件 ? 事故详情传热管破裂并完全断开 d.土耳其角(Turkey Point)(1982) ? 外来物总共有 20 个松动的物件(长 8的 焊条等) ? 事故详情传热管泄漏 e.卡托巴(Catawba)(1988) ? 外来物小钢块(11/223)钢渣 (1/43/88)接头螺栓(长 23直径 21/4) ? 事故详情传热管壁厚减少 50%和 77% 2.3 损坏的顺序 a.蒸汽发生器内存在外来物 b.松动件碰撞传热管 c.固定的外来物处产生局部滞流区增加了传 热管腐蚀的敏感性 d.由于机械或腐蚀作用使传热管降质 e.对受影响的传热管可能要求堵管也可能不 堵管决定于采用的堵管准则 f.未堵的传热管开始泄漏一次侧向二次侧 并可能破裂 专论与译文 核电站2003 年第 4 期 20 g.这些影响可能级联发生断裂的管子变成为 另一个外来物 3磨损机理 在外来物与接触部件之间以相对低的振幅运 动就会发生微振磨损这种运动而引起的微振磨 损不同于一般的滑动磨损如图 1 所示滑动磨损 的运动幅度与接触区域相比是较大的因而磨损微 粒容易从两个物体之间除去在两个接触的部件以 正常负载或紧密贴合在一起时就会产生标准的微 振磨损两个接触表面之间磨损具有足够大的接触 负荷与滑动磨损相似在这种情况下因为相对 运动较小磨损微粒就会夹在两个表面之间而参与 磨损过程 在蒸汽发生器里由于流动引起的扰动力和接 触表面之间的间隔配合面发生振动产生的磨损就 会是标准的微振磨损和冲击的滑动磨损相结合而 产生的这种类型的磨损称为冲击微振磨损不同 于标准的微振磨损像标准的微振磨损一样冲击 微振磨损是以小振幅为特征的然而静态的垂直负 荷是非常小的这样就会把两个接触的表面分离开 来这种周期性的分离影响了二个重要的磨损性 能 磨损粒子能从磨损表面除去 在接触表面之间存在冲击力 图 1 磨损类型 4传热管的磨损 研究人员调研了评估传热管磨损相对于管子 运 动 关 系 的 各 种 方 法有 一 篇 学 术 论 文 (Connors:Flow-induced vibration and wear of steam generator tubes)对预测传热管磨损及按其 数量级的分类提出了指导该论文表明粘附磨损的 Archard 方程可以适用于微振磨损以及连续滑动的 情况 V=KFnL 式中 V=产生磨损的体积(in 3) K=磨损系数 Fn=表面之间的垂直力(ibf) L=总的滑动距离(in) 磨损在理论上不好明确定义Archard 方程是 半径验的它对实际情况有使用价值磨损运动比 冲击运动引起的磨损更大这样 Archard 方程可以 用来评估由于外来物以及传热管和支撑板之间的 管子磨损 5.垂直接触力 物件在运动的流体里会受到牵引力并按照与 流体相对接近的速度运动它作为在蒸汽发生器二 次侧传热管上施加的垂直力该牵引力可以按照下 式计算 Fd=CdAPV 2/2GC 式中 Fd=牵引力(Ibf) Cd=牵引系数见表 1 A=垂直于速度方向投影平面面积 (ft 2) P=密度(Ibm/ft 3) V=流体速度(ft/sec) Gc=重力常数 牵引系数决定于雷诺数但是因为蒸汽 发生器二次侧结构很复杂 雷诺数很难预测 为了评估 SG 传热管的磨损 就按保守估算使 用 Nre10 3 的最大牵引系数表 1 列出了 Nre10 3时每种物件形状的牵引系数 6.滑动距离 滑动距离可以用流动引起的管子振幅和频率 来计算每个周期的滑动距离是管子振幅和频率乘 积的四倍图 2 显示了典型的均方根RMS位移 核电站2003 年第 4 期 专论与译文 21 按韩国标准核电厂蒸汽发生器传热管从 80%-140% 几种运行工况的情况这种 SG 传热管的均方根弯 曲与 SG 传热管的工况分析有关 RMS 弯曲=C * )()( 22 mymymxmx PFdPFd+ 式中 C *=系数 dmx=在 x 方向工况 m 的位移 dmy=在 y 方向工况 m 的位移 PFmx=在 x 方向工况 m 的参与系数 PFmy=在 y 方向工况 m 的参与系数 RMS 弯曲=SG 传热管的均方根弯曲 C *是与均方根弯曲有关的系数 是从 SG 传热管 工况分析中管子振幅的试验或分析中得到的滑动 距离是工况分析的振幅乘以这个系数而得到的因 而评诂 SG 传热管磨损的每秒钟滑动距离由下式计 算 D=4C * )()( 22 mymymmxmxm PFdFPFdF+ 式中 D=每秒钟滑动距离 Fm=蒸汽发生器传热管第 m 次工况的自然频率 表 1 牵引系数 图 2.在不同功率运行工况下流动引起的振动使 SG 传 热管发生 RMS 弯曲 7. 评估程序 假设了一个外来物在泥渣堆 4深处同一根传 热管接触它受到二次侧流体流动的影响该外来 物虽然没有移动但由于流动在垂直方向对该外来 物有一个接触力引起传热管微振磨损 8. 受到磨损传热管的寿期预测 图 3 表示了蒸汽发生器二次侧由外来物引起传 热管磨损的模式图 4 表示了与蒸汽发生器传热管 接触的典型外来物 图 3.外来物磨损传热管的模式 已经发现只要在蒸汽发生器二次侧有外来物 存在那么无论是静止在某一位置或移动到另一个 极限位置由于外来物与传热管之间会存在相对运 动那么就有可能发展成为管子磨损 图 4 外来物的位置和形态 审查了在蒸汽发生器二次侧存在外来物时 对传热管的影响评估 SG 传热管寿期的分析程序 形状 牵引系数 球形 0.6 扁平圆板 1.9 平板 2.0 圆柱体 1.4 专论与译文 核电站2003 年第 4 期 22 和预测受外来物影响管子剩余寿期的计算机程序 都进行研究和开发以估算在壁厚减少到原有壁厚 40%时还可以继续磨损的时间假设外来物位于传 热管上某个位置这表示能限止振幅和横向流动速 度该评估也假设外来物在泥渣堆深 4处另一 个保守的假设是一旦磨损开始外来物还保持在同 样位置仅管子遭到磨损 虽然计算机程序是根据韩国标准核电厂蒸汽 发生器设计而开发的但是评估程序可以应用于其 它型式的蒸汽发生器对