防甩件动力学分析与优化设计

朱思琪，高宇，陆瑜滢，李沛龙

中国核电工程有限公司核工程力学中心

摘要:主蒸汽TSM系统管道属于高能管道，管道破裂后破口处产生的巨大作用力导致管道发生剧烈甩动，危害周围安全相关部件，因此管道防甩约束的设置是必要的。本文对安全壳内TSM系统布置的防甩件结构进行力学分析和优化设计，完成了防甩件力学计算和结构安全评价工作，保证防甩件结构的结构完整性和管道甩击防护的安全性，为系统设计提供了结构安全保障，也为后续工程或其它系统的同类问题提供了解决思路和方法。

关键字：防甩件；优化设计；结构动力学；有限元

中图分类号：TL35

0引言

核电站中主蒸汽管道属于高能管道，长期在高温、高压条件下运行，易发生断裂事故[1]。管道发生环向破裂后，内部高压流体从破口位置处高速喷出，未采取防护措施时其产生的巨大反作用力可能使得管道出现大范围甩动[2]，设置防甩件能在管道破裂时通过限制管道的甩击来保护管道邻近的安全相关物项[3]，避免对核电站造成破坏。

目前防甩件主要有U型、H型和框架结构等多种类型，U型防甩件属于抗拉型，H型防甩件属于承压型，框架结构则可根据现场空间和布置情况实现承拉或承压作用。防甩件主要通过材料的塑性变形来吸收管道甩击产生的能量，同时降低峰值冲击载荷。在力学计算中，需要保证防甩件结构的完整性和甩击防护的安全功能性。

本文采用通用显式动力学分析软件LS-DYNA建立管道－防甩件有限元模型，进行管道甩击并与防甩件相互作用的时程模拟。研究在喷放力作用下管道－防甩件系统的受力和变形，并根据分析结果对防甩件进行结构优化设计，保证了防甩件结构的完整性和防护安全性。

1.设计条件

安全壳内TSM系统TSM0021管道材质为022Cr19Ni10，防甩件材料为Q245R。其基本力学性能参数见表1。

表1　材料力学性能参数

材料	密度 (kg/m3)	弹性模量 (Pa)	屈服强度 (MPa)	抗拉强度 (MPa)	延伸率
022Cr19Ni10（300℃）	7850	1.765E11	108	395	35%
Q245R（55℃）	7850	2.02E11	233	410	25%

假想管道破裂点发生甩击时，破裂点发生的位置为TSM009PO，一般在假想破口相近处设置防甩件TSM009RW，破裂点为环向破裂，管道绕管壁一周完全裂开。

2.管道-防甩件系统有限元分析

2.1计算模型

从破裂点直至贯穿件建立三维有限元壳单元模型，如图1-图2所示。防甩件主要采用H型钢和槽钢作为主要结构件，结构具有较好的刚度。

管道断口端环面施加等效压力时程，保证在整个甩击模拟过程中蒸汽喷射等效作用力始终与管道断口端环面的法向方向保持一致。管道的另一端施加固定约束。

图1 管道与防甩件整体模型                 图2 防甩件模型

2.2 力学计算与优化设计

3.2.1 初步计算结果

根据热工水力专业给出的断裂点处在破口处的喷放载荷，计算时间取0.1s。

防甩件通过本身变形限制管道甩击，在碰撞过程中防甩件需要满足强度要求。根据对NB/T 20516-2018《轻水堆核电站假想管道破损事故防护设计准则》中的设计要求的研究，应采用材料延伸率的80%作为塑性应变的设计限值。本文中防甩件根据要求其限值为20%。计算得到防甩件上最大塑性应变为20.22%，如图3所示，超过了选用材料延伸率，不满足结构强度要求，需要对其结构进行调整。

图3防甩件的应变分布

3.2.2 优化方法

从图3的应变分布中可以看出，防甩件与管道最先发生撞击的槽钢为主要吸能部件，但上部槽钢与工字钢连接处以及下部左右两个小槽钢上应变过大，槽钢刚度较弱，因此考虑将下部槽钢换为工字钢并增加补强板。

优化后的防甩件模型如图4所示，计算后其应变分布结果如图5所示。

图4 防甩件优化模型                      图5优化后防甩件的应变分布

防甩件塑性变形的区域主要发生在与管道最先发生撞击的槽钢上，整个甩击过程中管道上的最大塑性应变约为2.9%，此时防甩件上最大塑性应变为16.61%，满足设计准则要求。计算过程中系统的动能、内能和总能量的时程曲线如图6所示。管道甩击前期，在喷放力作用作用下系统动能急剧上升，接触到防甩件后管道甩击能量被吸收，动能快速下降，之后系统动能趋于零，喷放力做的功转化为系统应变能。结果表明此防甩件有效的限制了管道甩击，起到了很好的缓冲作用。

图6甩击过程中的能量分布

3.结论

本文针对TSM系统管道防甩件，基于动力学分析软件LS-DYNA建立管道-防甩件模型，对管道破裂后与防甩件的撞击过程进行时程模拟，结果真实反映了甩击过程中结构的变形情况，我们根据计算结果对防甩件进行了优化设计。计算表明，主蒸汽TSM0021管道的TSM009PO双端断裂时，管道断口处的喷射力引起管道甩击，优化后的防甩件能够有效抵御管道的甩击作用,破裂点产生的断裂甩击不会对防甩件产生贯穿性破坏或整体垮塌现象。防甩件的设计保障了假定甩击发生时，断点形成的管道自由端运动受到限制，有效避免了对周围结构或设备的影响，这

对于管道防甩击设计、保障核电站的安全具有重要意义。

参考文献

[1]张兴田，操丰，丁有元，王建军，方江. 基于双线性法的高能管道假想破口载荷分析及H型防甩击限制器设计[J].核动力工程，2011，32（5）：64~68

[2] 余同希，华云龙. 核电站中管道破裂后的甩动及其防护[J]. 压力容器，1986, 3(1): 70.

[3] 国家核安全法规，HAF102,核动力厂设计安全规定[S].2004.

1