一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測裝置及方法與流程
2023-10-04 04:53:09 1
本發明屬於核電疲勞壽命監測技術領域，具體涉及一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測裝置及方法。
背景技術：
蒸汽發生器是核電廠核島內重要的設備，是核電廠一迴路及二迴路重要壓力邊界，而疲勞是影響蒸汽發生器壓力邊界完整性的重要因素，如何實時把握蒸汽發生器關鍵承壓部件疲勞損傷狀態至關重要，累積疲勞損傷係數是衡量疲勞損傷狀態的重要指標，目前核電廠對蒸汽發生器疲勞敏感點的累積疲勞損傷係數評價均採用離線方式，評價耗時，且由於設計瞬態與實際瞬態之間的差異導致評價結果不能如實反映蒸汽發生器實際疲勞損傷狀態，評價結果過於保守，難以為蒸汽發生器老化管理及許可證延續提供準確數據，通過蒸汽發生器在線疲勞監測裝置可有效獲得蒸汽發生器實際運行參數，並對實際疲勞損傷係數做出精確評估。
現有的蒸汽發生器疲勞壽命評價方式，雖然可以得到蒸汽發生器關注部位累積疲勞損傷係數，但是其輸入數據來自兩個部分，一是設計瞬態數據，該數據會得到較大蒸汽發生器各部件的累積疲勞損傷係數，保守裕量過大；另外一項數據來自核電廠信息系統，需通過手動方式獲取與蒸汽發生器疲勞壽命相關的數據，通過有限元數值分析技術獲得評價部位的應力分布狀態，並依據規範要求，得到蒸汽發生器累積疲勞損傷係數結果，其中在利用手動方法獲取蒸汽發生器相關數據時，由於數據量龐大，按照實際採集數據，並結合數值分析技術計算蒸汽發生器應力分布狀態並不現實，需對實際數據進行包絡處理，從而造成了評價結果過於保守，且數據分析處理及利用數值分析技術計算蒸汽發生器應力狀態時需要花費大量的時間，效率不高。同時，利用核電廠現有的熱工數據採集條件並不能獲得準確的蒸汽發生器疲勞敏感部位實際溫度數據，從而影響蒸汽發生器累積疲勞損傷係數的計算精度。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測裝置及方法，解決現有蒸汽發生器疲勞壽命保守裕量大，過程耗時，精度不高等問題。
本發明的技術方案如下：一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測裝置，該監測裝置包括疲勞監測點溫度測量裝置、疲勞監測點壓力測試裝置、疲勞監測點應力處理模塊以及監測點疲勞壽命在線分析模塊，其中，疲勞監測點溫度測量裝置和疲勞監測點壓力測試裝置分別與伺服器相連接，並將疲勞監測點溫度測量裝置監測獲得蒸汽發生器疲勞監測點金屬壁面及流體溫度數據，以及疲勞監測點壓力測試裝置測量的蒸汽發生器一次側壓力和二次側壓力傳輸至伺服器，並在伺服器中處理、顯示監測結果；與伺服器相連接的疲勞監測點應力處理模塊利用疲勞監測點溫度測量裝置和疲勞監測點壓力測試裝置測量的溫度和壓力參數，利用應力計算函數轉換為監測點應力計算結果，並傳輸至與疲勞監測點應力處理模塊相連接的監測點疲勞壽命在線分析模塊，並利用監測點疲勞壽命在線分析模塊將監測點應力數據轉換為累積疲勞損傷係數，並顯示任一運行周期內的蒸汽發生器各監測點疲勞壽命。
所述的疲勞監測點溫度測量裝置包括在蒸汽發生器疲勞敏感部位共布置12個溫度計，用於測量金屬壁面溫度；以及在蒸汽發生器進出口管嘴、蒸汽出口管嘴及給水管嘴處布置4個溫度計，用於進行流體溫度測量；利用上述溫度計測量蒸汽發生器特定部位的金屬壁面及流體溫度。
所述的疲勞監測點應力處理模塊包括管板應力處理模塊、一次側進出口管嘴應力處理模塊、給水管嘴應力處理模塊、蒸汽出口管嘴應力處理模塊以及筒體應力處理模塊，上述各個應力處理模塊可實現對疲勞監測點溫度測量裝置和疲勞監測點壓力測量裝置監測的不同監測點的溫度與壓力參數轉換為相應的應力參數。
所述的管板應力處理模塊利用所制定疲勞監測點溫度測量裝置監測的一次側冷卻劑溫度與二次側飽和蒸汽溫度與監測點應力分量對照表，並通過實際溫度在對照表中線性插值獲得監測點實際應力數據，同時，利用疲勞監測點壓力測試裝置監測的一二次壓力範圍，制定不同壓力與監測點六個應力分量的對照表，實際壓力條件下的應力通過對照表的線性插值獲得，再將溫度載荷與壓力載荷下的應力分量矢量疊加得到管板監測點的總應力參數。
所述的一次側進出口管嘴應力處理模塊、蒸汽出口管嘴應力處理模塊以及筒體應力處理模塊可疲勞監測點溫度測量裝置監測的不同位置處的溫度數據周期離散後，利用一系列對應時間間隔的離散溫度響應來確定溫度變化的應力；對疲勞監測點壓力測試裝置的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得監測點的總應力參數。
所述的給水管嘴處理模塊可將疲勞監測點溫度測量裝置的給水溫度與蒸汽溫度之間的溫差用傅立葉級數展開，分解為平均溫度、線性溫度及非線性溫度，並將平均溫度、線性溫度及非線性溫度轉換為相應的溫度載荷下所引起的應力；給水管嘴處理模塊對疲勞監測點壓力測試裝置的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得給水管嘴監測點的總應力參數。
一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測方法，該方法具體包括如下步驟：
步驟1、採集監測蒸汽發生器疲勞監測點的溫度及壓力；
步驟1.1、採集獲得蒸汽發生器疲勞監測點的溫度；
步驟1.1.1、利用溫度計測量蒸汽發生器金屬壁面的溫度；
步驟1.1.2、利用溫度及測量蒸汽發生器流體溫度；
步驟1.2、採集獲得蒸汽發生器一次側壓力及二次側壓力；
步驟2、利用應力計算函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為監測點應力參數；
步驟2.1、利用多組應力函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為蒸汽發生器管板處的應力參數；
步驟2.2、利用格林函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為蒸汽發生器一次側進出口管嘴、蒸汽出口管嘴以及筒體處的應力參數；
步驟2.3、利用應力計算函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為蒸汽發生器給水管嘴處的應力參數；
步驟3、將監測點的應力數據轉換為累積疲勞損傷係數，實現對蒸汽發生器各監測點疲勞壽命的監測。
所述的步驟2.1具體包括：
步驟2.1.1、制定一次側冷卻劑溫度與二次側飽和蒸汽溫度與監測點應力分量對照表，並通過實際溫度在對照表中線性插值獲得監測點實際應力數據；
步驟2.1.2、利用監測的一二次壓力範圍，制定不同壓力與監測點六個應力分量的對照表，實際壓力條件下的應力通過對照表的線性插值獲得；
步驟2.1.3、將溫度載荷與壓力載荷下的應力分量矢量疊加得到管板監測點總應力參數。
所述的步驟2.2具體包括：對疲勞監測點測量的溫度數據按照1秒、2秒、4秒、8秒、16秒、…、2n秒周期進行離散，將一系列對應時間間隔dτ的離散溫度dT的響應求和即可確定任何一個溫度變化T(τ)的應力，在任一時刻t的應力由式給出，式中T為溫度，τ為時間變量，f(τ)是單位溫度階躍引起的某一應力分量；對疲勞監測點的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得監測點的總應力參數；
所述的步驟2.3具體包括：將疲勞監測點溫度測量裝置1的給水溫度與蒸汽溫度之間的溫差用傅立葉級數展開，分解為平均溫度、線性溫度及非線性溫度，平均溫度引起的應力為管道系統約束造成的熱膨脹應力，計算表達式為σa＝K2C2D0Mi(τ)/2I，Mi(τ)為彎矩，I是慣性矩，K2和C2是應力指數，線性溫度項按照平面應變理論將溫度轉換為局部彎曲應力，計算式為式中MΔT＝EαΔTI/D0，D0為外徑，ΔT為線性溫度分量，I是慣性矩，E為彈性模量，α為熱膨脹係數，非線性溫度項應力按式σNL＝EαTNL計算，E為彈性模量，α為熱膨脹係數，TNL為非線性溫度項，溫度載荷引起的總應力σ＝σa+σaxial+σNL，對疲勞監測點的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得給水管嘴監測點的總應力參數；
所述的步驟1.1.1中在蒸汽發生器疲勞敏感部位共布置12個溫度測點，利用溫度計測量該溫度測點的金屬壁面溫度；
所述的步驟1.1.2中在蒸汽發生器進出口管嘴、二次側蒸汽出口管嘴及給水管嘴處布置4個溫度測點，用於對流體進行溫度測量；
所述的步驟3具體包括：根據ASME規範NB3200要求，將步驟2中的應力數據利用雨流法轉換為應力強度循環幅，結合NB3200附錄給出設計疲勞曲線得到監測點累積疲勞損傷係數，該系統既可以顯示實際疲勞損傷係數，並可以按照指數函數的形式對監測點疲勞壽命做出預測，實現對蒸汽發生器各監測點在不同的運行周期內疲勞壽命的監測。
本發明的顯著效果在於：本發明所述的一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測裝置及方法，通過蒸汽發生器疲勞監測部位溫度及壓力測量裝置，可獲得金屬壁面及承壓部件實際的溫度及壓力參數，利用應力計算函數表開發的蒸汽發生器管板、一次側進出口管嘴、給水管嘴、蒸汽出口管嘴、殼體應力處理子模塊監測關注部位應力數據，通過蒸汽發生器監測點疲勞壽命在線分析模塊獲得任一時刻下蒸汽發生器的疲勞損傷狀態，該裝置及方法具有高精度、高效率及在線評價等優點。
附圖說明
圖1為本發明所述的一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測裝置結構示意圖；
圖中：1、疲勞監測點溫度測量裝置；2、疲勞監測點壓力測量裝置；3、伺服器；4、疲勞監測點應力處理模塊；5、管板應力處理模塊；6、一次側進出口管嘴應力處理模塊；7、給水管嘴應力處理模塊；8、蒸汽出口管嘴應力處理模塊；9、筒體應力處理模塊；10、監測點疲勞壽命在線分析模塊。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測裝置，包括疲勞監測點溫度測量裝置1、疲勞監測點壓力測試裝置2、疲勞監測點應力處理模塊4以及監測點疲勞壽命在線分析模塊10，其中，疲勞監測點溫度測量裝置1和疲勞監測點壓力測試裝置2分別於伺服器3相連接，並將疲勞監測點溫度測量裝置1監測獲得蒸汽發生器疲勞監測點金屬壁面及流體溫度數據，以及疲勞監測點壓力測試裝置2測量的蒸汽發生器一次側壓力和二次側壓力傳輸至伺服器3，並在伺服器3中處理、顯示監測結果，其中，疲勞監測點溫度測量裝置1是利用溫度計測量蒸汽發生器特定部位的金屬壁面及流體溫度，在蒸汽發生器疲勞敏感部位共布置12個溫度測點，用於測量金屬壁面溫度；在蒸汽發生器進出口管嘴、蒸汽出口管嘴及給水管嘴處布置4個溫度測點，用於進行流體溫度測量；疲勞監測點壓力測試裝置2用來測量蒸汽發生器一次側壓力及二次側壓力；與伺服器3相連接的疲勞監測點應力處理模塊4利用疲勞監測點溫度測量裝置1和疲勞監測點壓力測試裝置2測量的溫度和壓力參數，利用應力計算函數轉換為監測點應力計算結果，並傳輸至與疲勞監測點應力處理模塊4相連接的監測點疲勞壽命在線分析模塊10，並利用監測點疲勞壽命在線分析模塊10將監測點應力數據轉換為累積疲勞損傷係數，並顯示任一運行周期內的蒸汽發生器各監測點疲勞壽命，其中，疲勞監測點應力處理模塊4包括管板應力處理模塊5、一次側進出口管嘴應力處理模塊6、給水管嘴應力處理模塊7、蒸汽出口管嘴應力處理模塊8以及筒體應力處理模塊9，其中，管板應力處理模塊5利用所制定疲勞監測點溫度測量裝置1監測的一次側冷卻劑溫度與二次側飽和蒸汽溫度與監測點應力分量對照表，並通過實際溫度在對照表中線性插值獲得監測點實際應力數據，同時，利用疲勞監測點壓力測試裝置2監測的一二次壓力範圍，制定不同壓力與監測點六個應力分量的對照表，實際壓力條件下的應力通過對照表的線性插值獲得，再將溫度載荷與壓力載荷下的應力分量矢量疊加得到管板監測點的總應力參數；一次側進出口管嘴應力處理模塊6、蒸汽出口管嘴應力處理模塊8以及筒體應力處理模塊9對疲勞監測點溫度測量裝置1的溫度數據按照1秒、2秒、4秒、8秒、16秒等周期進行離散，將一系列對應時間間隔dτ的離散溫度dT的響應求和即可確定任何一個溫度變化T(τ)的應力，在任一時刻t的應力由式給出，式中T為溫度，τ為時間變量，f(τ)是單位溫度階躍引起的某一應力分量，一次側進出口管嘴應力處理模塊6、蒸汽出口管嘴應力處理模塊8以及筒體應力處理模塊9對疲勞監測點壓力測試裝置2的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得監測點的總應力參數；給水管嘴應力處理模塊7將疲勞監測點溫度測量裝置1的給水溫度與蒸汽溫度之間的溫差用傅立葉級數展開，分解為平均溫度、線性溫度及非線性溫度，平均溫度引起的應力為管道系統約束造成的熱膨脹應力，計算表達式為σa＝K2C2D0Mi(τ)/2I，Mi(τ)為彎矩，I是慣性矩，K2和C2是應力指數，線性溫度項按照平面應變理論將溫度轉換為局部彎曲應力，計算式為式中MΔT＝EαΔTI/D0，D0為外徑，ΔT為線性溫度分量，I是慣性矩，E為彈性模量，α為熱膨脹係數，非線性溫度項應力按式σNL＝EαTNL計算，E為彈性模量，α為熱膨脹係數，TNL為非線性溫度項，溫度載荷引起的總應力σ＝σa+σaxial+σNL，給水管嘴應力處理模塊7對疲勞監測點壓力測試裝置2的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得給水管嘴監測點的總應力參數。
一種蒸汽發生器在線疲勞壽命監測方法，該方法具體包括如下步驟：
步驟1、採集監測蒸汽發生器疲勞監測點的溫度及壓力；
步驟1.1、採集獲得蒸汽發生器疲勞監測點的溫度；
步驟1.1.1、利用溫度計測量蒸汽發生器金屬壁面的溫度；
在蒸汽發生器疲勞敏感部位共布置12個溫度測點，利用溫度計測量該溫度測點的金屬壁面溫度；
步驟1.1.2、利用溫度及測量蒸汽發生器流體溫度；
在蒸汽發生器進出口管嘴、二次側蒸汽出口管嘴及給水管嘴處布置4個溫度測點，用於對流體進行溫度測量；
步驟1.2、採集獲得蒸汽發生器一次側壓力及二次側壓力；
步驟2、利用應力計算函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為監測點應力參數；
步驟2.1、利用多組應力函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為蒸汽發生器管板處的應力參數；
步驟2.1.1、制定一次側冷卻劑溫度與二次側飽和蒸汽溫度與監測點應力分量對照表，並通過實際溫度在對照表中線性插值獲得監測點實際應力數據；
步驟2.1.2、利用監測的一二次壓力範圍，制定不同壓力與監測點六個應力分量的對照表，實際壓力條件下的應力通過對照表的線性插值獲得；
步驟2.1.3、將溫度載荷與壓力載荷下的應力分量矢量疊加得到管板監測點總應力參數；
步驟2.2、利用格林函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為蒸汽發生器一次側進出口管嘴、蒸汽出口管嘴以及筒體處的應力參數；
對疲勞監測點測量的溫度數據按照1秒、2秒、4秒、8秒、16秒、…、2n秒周期進行離散，將一系列對應時間間隔dτ的離散溫度dT的響應求和即可確定任何一個溫度變化T(τ)的應力，在任一時刻t的應力由式給出，式中T為溫度，τ為時間變量，f(τ)是單位溫度階躍引起的某一應力分量；對疲勞監測點的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得監測點的總應力參數；
步驟2.3、利用應力計算函數，將蒸汽發生器疲勞監測點採集的溫度及壓力參數轉換為蒸汽發生器給水管嘴處的應力參數；
將疲勞監測點溫度測量裝置1的給水溫度與蒸汽溫度之間的溫差用傅立葉級數展開，分解為平均溫度、線性溫度及非線性溫度，平均溫度引起的應力為管道系統約束造成的熱膨脹應力，計算表達式為σa＝K2C2D0Mi(τ)/2I，Mi(τ)為彎矩，I是慣性矩，K2和C2是應力指數，線性溫度項按照平面應變理論將溫度轉換為局部彎曲應力，計算式為式中MΔT＝EαΔTI/D0，D0為外徑，ΔT為線性溫度分量，I是慣性矩，E為彈性模量，α為熱膨脹係數，非線性溫度項應力按式σNL＝EαTNL計算，E為彈性模量，α為熱膨脹係數，TNL為非線性溫度項，溫度載荷引起的總應力σ＝σa+σaxial+σNL，對疲勞監測點的壓力載荷乘以1MPa壓力下的監測應力，與溫度載荷下的應力進行矢量疊加獲得給水管嘴監測點的總應力參數；
步驟3、將監測點的應力數據轉換為累積疲勞損傷係數，實現對蒸汽發生器各監測點疲勞壽命的監測；
根據ASME規範NB3200要求，將步驟2中的應力數據利用雨流法轉換為應力強度循環幅，結合NB3200附錄給出設計疲勞曲線得到監測點累積疲勞損傷係數，該系統既可以顯示實際疲勞損傷係數，並可以按照指數函數的形式對監測點疲勞壽命做出預測，實現對蒸汽發生器各監測點在不同的運行周期內疲勞壽命的監測。