核电站高能管道冲击过程数值模拟研究_彭建.pdf

第 44 卷第 2 期2023 年 2 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.2Feb.2023核电站高能管道冲击过程数值模拟研究彭建1,2,刘浪1,2,石媛媛1,2(1.中广核工程有限公司 核电安全监控技术与装备国家重点实验室,广东 深圳 518172;2.深圳中广核工程设计有限公司,广东 深圳 518172)摘 要:为了研究管道断裂工况下甩击管道对靶物管道的冲击作用,本文采用有限元软件 ABAQUS 分析了各种结构参数对靶物管道变形的影响。考虑几何非线性、材料非线性和接触非线性建立了数值模型;通过与试验进行对比分析,数值结果与试验结果偏差为 3.5%,验证了模型的有效性;选取核电厂典型材料和结构参数,采用数值模拟方法研究了甩击角度、约束方式、径厚比对靶物管道变形的影响。结果表明:靶物管道的变形包括压缩和弯曲 2 种模式,且压缩和弯曲是相互作用的;甩击角度主要影响靶物管道的压缩变形,对弯曲变形影响较小,靶物管道变形随甩击角度的增加而变大,正交甩击时变形最大;约束方式主要影响靶物管道的弯曲变形,对压缩变形不敏感,且轴向无约束时变形最大;随着径厚比的增加,靶物管道变形越大,冲击截面的直径变化量与应变随时间的变化趋势一致。关键词:高能管道断裂;管道甩动;管道变形;非线性数值模拟;冲击过程;甩击角度;管道约束方式;管道径厚比DOI:10.11990/jheu.202109004网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)02-0307-07Numerical simulation of the high-energy piping impact process in a nuclear power plantPENG Jian1,2,LIU Lang1,2,SHI Yuanyuan1,2(1.State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518172,China;2.China Nuclear Power Design Company,Co.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen 518172,China)Abstract:To study pipe-to-pipe impact under pipe rupture,the influence of various structural parameters on target pipe deformation is analyzed using the finite element software ABAQUS.First,a numerical model is established that considers geometric nonlinearity,material nonlinearity,and contact nonlinearity.Then,through a comparative analysis with the experiment,the difference between the numerical analysis and the experimental result is only 3.5%,which verifies the validity of the model.Finally,on the basis of the numerical method,the effects of whip-ping angle,restraint mode,and diameter thickness ratio on the target pipe deformation are studied by selecting the typical materials and structural parameters of a nuclear power plant.The results show that target pipe deformation includes two modes:crushing and bending,which interact with each other.The whipping angle mainly affects the compression deformation of the target pipeline and has little effect on the bending deformation.The target pipe de-formation increases with the whipping angle,and the maximum deformation occurs in the orthogonal whipping im-pact.The constraint mode mainly affects the bending deformation of the target pipe,which is insensitive to the crushing deformation,and the maximum deformation occurs under no axial constraint.With an increasing diameter-to-thickness ratio,target pipe deformation increases,and the diameter change of the impact section is consistent with the strain changing with time.Keywords:high-energy pipe rupture;pipe whip;pipe deformation;nonlinear numerical simulation;impact process;whipping angle;restraint mode of piping;diameter thickness ratio of the pipe 收稿日期:2021-09-02.网络出版日期:2022-10-28.基金项目:国家重点研发计划(2018YFB1900200).作者简介:彭建,男,工程师;石媛媛,女,高级工程师.通信作者:石媛媛,E-mail:shiyuanyuan .国际原子能机构(IAEA)和美国国家标准学会(ANSI)在 20 世纪 80 年代对核电站高能管道破裂防护设计开展了大量研究,编制了标准 NS-G-1.111和“ANSI/ANS58.2”2,明确要求核电站设计必须考虑管道甩动效应,提供适当的预防和缓解措施,以保证核安全不受到损害。如果核电厂高能哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷管道断裂后,从破口释放出来的流体会对断裂管道产生反作用力,从而引起管道甩动,即管道甩动效应。甩击管道撞击附近的其他管道,它会产生管道对管道的冲击,这可能造成更严重的多米诺效应。管道甩击管道可分为 2 个阶段,即管道自由甩动和管道冲击管道阶段。Reid 等3-5国外学者对管道自由甩动进行了大量的实验研究,设置了由储气罐、试验管道和爆破片组成的试验装置,创建了大挠度动力梁理论模型,并通过试验论证了模型的有效性。Alzheimer 等6国外学者对管道冲击管道也开展了实验研究,首先基于美国某核电厂系统布置模型和压力温度情况,识别出 100 组潜在的管道甩击管道工况;然后采用弹射器装置模拟管道冲击管道试验;最后结论为甩击管道不会引起名义尺寸较大且壁厚也较大的靶物管道发生破裂,可能会引起名义尺寸较小的靶物管道(不论其壁厚如何)发生破裂,会造成名义尺寸相同或较大而壁厚相等或较薄的管道发生贯穿裂纹。上述结论广泛应用于工程设计,但变形机理有待进一步研究。Baum 等7专家学者采用试验方法模拟了管道自由甩动和管道冲击管道的全过程,研究了其变形机理,结果发现靶物管道存在压缩和弯曲两种机理,支撑方式对靶物管道的变形影响较大。但是,由于试验基于 1 寸的小直径管道和理想刚性约束,因此对于大管径和柔性管道系统,还有待进一步研究。国内标准 EJ/T 335 和 NB/T 20516 也提出核电站设计必须考虑管道甩击效应。学者对管道甩击也开展了研究,Yang 等8采用试验和数值模拟的方法研究了冲击位置对靶物管道的变形模式的影响。但是,国内关于管道甩击的研究主要集中在防甩限制件方面,王春霖等9-12研究了防甩限制件的分析方法及影响因素。而管道抗冲击性能的研究主要集中在海洋管道13-20。杨秀娟等13采用非线性动态有限元法模拟了坠物撞击海底管道的过程,分析了物体形状、撞击角度、摩擦、内压、混凝土厚度、埋深及悬空长度与管道凹陷深度的关系。谢丽媛等14利用落锤实验和有限元模型得出海底管道在冲击载荷作用下的破坏模式为整体弯曲变形与冲击凹痕部位的局部弯曲耦合形成,管道钢材的屈服强度的增加可有效减小冲击作用下的局部凹陷变形。张荣等15通过落锤实验证明圆钢管失效形式均为剪切失效,随冲击能量增加圆钢管变形依次为弹性小变形阶段、塑性大变形阶段、剪切失效阶段等 3 个阶段。甩击管道和靶物管道都可能产生较大的变形,并受到很多因素的影响,其中管道的管径比、径厚比、冲击能量、冲击位置、支撑方式已进行了研究。但是,冲击角度的影响暂未见文献报道。工程上,对于甩击管道一般没有要求,主要关注靶物管道的变形。因此,本文采用数值模拟方法,通过模拟管道自由甩动和冲击管道全过程,主要研究冲击角度对靶物管道变形的影响,并分析了约束方式和径厚比的影响。1 管道冲击数值模型1.1 数值算法 ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟有限元软件,包括 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 分析模块。ABAQUS/Explicit 在处理冲击问题方面非常成熟和方便,用户仅需要提供合理的结构参数、材料参数、边界条件和载荷工况这些工程数据就可以获得精确解。ABAQUS/Explicit 采用中心差分法进行显式时间积分:Mu(t+t)+Cu(t+t)+Ku(t+t)=F(t+t)(1)式中:M 为质量矩阵;C 为阻尼矩阵;K 为刚度矩阵;u(t)为位移矩阵;F(t)为载荷矩阵;t 为时间增量。显式时间积分的求解精度取决于时间积分步长,需要非常小的时间步以保持稳定,而时间步取决于单元尺寸和波速;有稳定的时间增量的限制,完成指定分析一般需要较多的时间增量,不需要求解线性方程组,每个增量步的计算成本较低,适用于冲击等高频动力学问题,能分析各种复杂的接触问题。本文采用 ABAQUS/Explicit 模拟管道甩击管道,通过体积粘性考虑模型阻尼,体积粘性采用软件推荐值,线性参数取 0.06,二次参数取 1.2,最小稳定时间步长和接触算法通过验证分析确定。1.2 材料模型 为描述金属材料的高速冲击效应,利用商业有限元软件 ABAQUS 建立管道甩击管道的数值模型。管道采用壳单元 S4 四边形单元进行网格划分,选择Simpson 积分方法,厚度方向取 5 个积分点,单元应力位置在下表面;材料选用 Mises 弹塑性模型,真应力应变曲线根据 ASME BPVC VIII 的附录,并基于屈服强度、抗拉强度、弹性模型计算获得,本文采用核电站中的典型碳钢材料 P265,其真应力应变曲线见图 1。应变率效应采用经典的 Cowper-Symonds模型:yd=ys1+D()1q()(2)式中:yd为动态屈服应力;ys为静态屈服应力;为应变率;D 为材料常数;q 为材料常数。1.3 结构模型 结构模型由