崔素文，楊芝棟，任紅兵

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518172)

0 引言

為了支撐蒸汽發(fā)生器(SG)傳熱管、抑制管束的流致振動(dòng)(FIV)并避免由流致振動(dòng)引起的不可接受的微振磨損，在管束直管段和彎管段上均設(shè)置了支撐結(jié)構(gòu)，以保證傳熱管在壽期內(nèi)的完整性。在文獻(xiàn)[1]中，已經(jīng)論述了彎管區(qū)支撐結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱管完整性的影響，本文針對(duì)管束直段支撐結(jié)構(gòu)對(duì)管束完整性的影響進(jìn)行分析。

常見(jiàn)的壓水堆核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器傳熱管直管段的支撐結(jié)構(gòu)主要有梅花孔支撐板和柵格支撐板，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。國(guó)內(nèi)大多數(shù)核電機(jī)組(包括M310系列、EPR以及AP1000機(jī)組)均采用了梅花孔支撐板，而某華龍一號(hào)堆型的蒸汽發(fā)生器采用了柵格支撐板。

管束支撐結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱管的完整性有著至關(guān)重要的影響。本文以某核電廠(chǎng)參數(shù)為輸入，分析上述兩種常見(jiàn)管束支撐結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱管完整性的影響。

1 管束熱工水力性能影響的分析

1.1 通透性

管束支撐結(jié)構(gòu)的通透性直接影響其熱工水力行為，如局部阻力系數(shù)、間隙換熱、蒸干、泥渣沉積、蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率等。傳熱管與支撐結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)和流通面積大小決定了其通透性。

圖1 常見(jiàn)的蒸汽發(fā)生器管束支撐結(jié)構(gòu)

早期的蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)中，傳熱管與支撐板是環(huán)接觸，導(dǎo)致傳熱管與支撐板之間的間隙容易被堵塞，形成凹痕等傳熱管缺陷，甚至出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象。目前，傳熱管與梅花孔支撐板的接觸均為平接觸(見(jiàn)圖2)，這種平接觸使得傳熱管與管束支撐之間的流道變得開(kāi)放，二回路的汽水混合物可方便地進(jìn)出間隙，間隙換熱得以順利進(jìn)行，大大地避免了蒸干的可能性。

圖2 傳熱管與支撐結(jié)構(gòu)的接觸形式

在相同的管間距/直徑(P/D)下，分別對(duì)梅花孔支撐板和柵格支撐板進(jìn)行研究，得出如下結(jié)果。

(1)當(dāng)P/D從1.3逐漸增大到1.5時(shí)，梅花孔支撐板的通透性不斷降低，如圖3所示。

(a)梅花孔支撐板流通面積示意 (b)梅花孔支撐板通透比與P/D的關(guān)系

圖4 柵格支撐板的通透性分析

(2)由于本文所研究的柵格支撐板采用了高低不同的柵格條分層錯(cuò)落搭配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得傳熱管在每層?xùn)鸥裰伟迳吓c高/低柵格條的接觸最多不超過(guò)3處，因此其通透性遠(yuǎn)優(yōu)于梅花孔支撐板，如圖4所示。

1.2 流場(chǎng)特性

利用CFD軟件，對(duì)梅花孔支撐板和柵格支撐板的流場(chǎng)(包括速度、壓力、阻力系數(shù)等)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)如下情況。

(1)梅花孔支撐板入口處有較高的局部流速(速度突變)，而柵格支撐板入口處的流速變化相對(duì)較小，如圖5所示。

圖5 管束支撐板的流速云圖

(2)梅花孔支撐板的局部阻力相比柵格支撐板大，導(dǎo)致采用梅花孔支撐板的蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率(3左右)遠(yuǎn)小于采用柵格支撐板的蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率(5左右)，如圖6所示。

圖6 管束支撐板的壓力云圖

因此，采用柵格支撐板的蒸汽發(fā)生器管束出口蒸汽濕度較大，需配置高性能的汽水分離裝置，以確保出口蒸汽濕度滿(mǎn)足要求。

(3)柵格支撐板的通透性好，泥渣不易沉積，而梅花孔支撐板在上下表面存在相對(duì)的流動(dòng)速度較小的區(qū)域，即出現(xiàn)流滯區(qū)(見(jiàn)圖7)。同時(shí)，局部壓降引起的閃蒸也促使雜質(zhì)黏附到壁面上[2]，因此容易出現(xiàn)泥渣沉積。核電廠(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋也表明，泥渣會(huì)沉積在梅花孔支撐板和傳熱管的表面上(見(jiàn)圖8)。由于泥渣的沉積，會(huì)出現(xiàn)傳熱管凹痕等降質(zhì)現(xiàn)象[3-4]。

圖7 梅花孔支撐板上下表面的流滯區(qū)

圖8 梅花孔支撐板上的泥渣沉積

1.3 間隙換熱特性

在傳熱管與管束支撐之間的間隙中存在流體，且這些流體會(huì)與傳熱管內(nèi)的一回路流體進(jìn)行熱量交換。在間隙較小且含汽率較高的地方液膜很薄，易被撕破，導(dǎo)致傳熱惡化，即蒸干。反復(fù)的蒸干及再潤(rùn)濕過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致傳熱管局部區(qū)域出現(xiàn)疲勞，進(jìn)而破壞傳熱管的完整性。

試驗(yàn)研究表明，支撐板的形狀是導(dǎo)致蒸干的主要誘因，在相同的熱工參數(shù)下，圓孔支撐板發(fā)生蒸干的概率要大于梅花孔支撐板發(fā)生蒸干的概率[5]；而柵格支撐板阻力小，循環(huán)倍率大，濕度大，基本不存在蒸干的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)梅花孔支撐板間隙換熱現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)：梅花孔支撐板在蒸汽發(fā)生器管束平均運(yùn)行參數(shù)范圍(管束干度在0.2～0.6，熱流密度小于300 kW/m2)內(nèi)一般不會(huì)出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，如圖9所示。但是由于梅花孔支撐板與傳熱管之間的間隙十分狹小，不排除在局部高空泡份額區(qū)域出現(xiàn)蒸干的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 梅花孔支撐板蒸干試驗(yàn)結(jié)果

2 管束流致振動(dòng)性能影響的分析

漩渦脫落、湍流以及流湍不穩(wěn)定是在受橫向速度的管束中常見(jiàn)的三種流致振動(dòng)的機(jī)理[6]，如圖10所示。

圖10 管束流致振動(dòng)機(jī)理

對(duì)于目前常用的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù))，流湍不穩(wěn)定是最大的威脅，因此本文僅分析兩種管束支撐結(jié)構(gòu)對(duì)流湍不穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)Connors準(zhǔn)靜態(tài)模型[7]，開(kāi)展傳熱管的流致振動(dòng)分析，判斷運(yùn)行期間傳熱管是否會(huì)發(fā)生流彈失穩(wěn)。目前工程通用的流體彈性不穩(wěn)定準(zhǔn)則為：

Un/Ucn<0.75

(1)

式中Un——傳熱管間的有效激勵(lì)流體速度；

Ucn——臨界橫向流動(dòng)速度。

臨界速度的評(píng)估模型是基于準(zhǔn)靜態(tài)力的Connors模型[7]。臨界速度的表達(dá)式如下：

(2)

式中β——Connors系數(shù)，取決于管束的形式和流體的形式，可根據(jù)文獻(xiàn)[7]查得；

fn——傳熱管第n階固有頻率，Hz；

D——傳熱管外直徑，mm；

m0——單位長(zhǎng)度的傳熱管參考質(zhì)量，kg；

ξn——傳熱管第n階模態(tài)的阻尼比，其值是基于實(shí)體模型試驗(yàn)結(jié)果得到[8-9]；

ρ0——二次側(cè)流體的參考密度，kg/m3。

按如下關(guān)系式計(jì)算出有效激勵(lì)速度：

(3)

式中ρ(x)——沿橫坐標(biāo)x的密度，kg/m3；

v(x)——沿橫坐標(biāo)x的垂直于傳熱管的速度，m/s；

φn(x)——沿橫坐標(biāo)x的第n階模態(tài)的振型；

m(x)——沿橫坐標(biāo)x的當(dāng)量質(zhì)量。

每階模態(tài)的fn和φn(x)值由模態(tài)分析計(jì)算得到，而ρ(x)和v(x)值由熱工水力計(jì)算得出。采用專(zhuān)業(yè)流致振動(dòng)分析軟件，對(duì)兩種支撐結(jié)構(gòu)的管束進(jìn)行建模(見(jiàn)圖11)，開(kāi)展流致振動(dòng)分析。

計(jì)算結(jié)果表明，采用梅花孔支撐板的管束，其流湍不穩(wěn)定率(Un/Ucn)在0.4左右，而采用柵格支撐板的管束的流湍不穩(wěn)定率在0.7左右。雖然兩者的流湍不穩(wěn)定率均小于0.75，但是梅花孔支撐板管束的流湍不穩(wěn)定率更低，這主要是因?yàn)椋翰捎脰鸥裰伟宓墓苁?，相?duì)于梅花孔支撐板，其通透性好，管束內(nèi)流體密度和速度相對(duì)較大，因此流動(dòng)激勵(lì)力(ρv2)相對(duì)較大，有效激勵(lì)流體速度(Un)相對(duì)較大。

圖11 管束流致振動(dòng)分析模型

3 結(jié)語(yǔ)

以?xún)煞N常見(jiàn)的蒸汽發(fā)生器管束支撐結(jié)構(gòu)(梅花孔支撐板和柵格支撐板)為例，對(duì)管束支撐結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱管完整性的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

(1)梅花孔支撐板的通透性相對(duì)較差，且在上下表面局部區(qū)域內(nèi)存在流滯區(qū)，易導(dǎo)致泥渣沉積，在局部高空泡份額的區(qū)域內(nèi)存在蒸干風(fēng)險(xiǎn)，但其發(fā)生流湍失穩(wěn)的傾向性較低；

(2)柵格支撐板的通透性好，流通阻力小，不易出現(xiàn)泥渣沉積和蒸干現(xiàn)象，但管束內(nèi)流體密度和速度相對(duì)較大，發(fā)生流湍失穩(wěn)的有效激勵(lì)速度較大，發(fā)生流湍失穩(wěn)的傾向性較高。

目前，這兩種管束支撐結(jié)構(gòu)在核電廠(chǎng)中均有成熟應(yīng)用，但后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下方面。

(1)梅花孔支撐板應(yīng)以降低阻力作為其改進(jìn)方向，并控制管束內(nèi)空泡份額的分布，避免因局部空泡份額較高導(dǎo)致蒸干及流致振動(dòng)問(wèn)題。

(2)采用柵格支撐板的蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是熱工設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的適配性，即嚴(yán)格控制傳熱管的流動(dòng)激勵(lì)力(ρv2)，以避免發(fā)生流湍失穩(wěn)。