CN104464851B - 一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型的监测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型监测装置及其监测方法，可用于核电站高温管道热疲劳行为的实时监测。该监测装置的后台服务器电连接一个或几个外部数据储存服务器，每个外部数据储存服务器电连接一个或多个数据采集模块，每个数据采集模块电连接多个数据采集传感器，传输线缆进行加固和屏蔽保护。该监测装置有助于测量核电站一回路高温管道在运行阶段的温度变化数据和管内流体流量，并将数据传输和储存到监测中心，从而为后续的管道热应力计算、疲劳损伤评估和延寿分析提供数据支持。

Description

一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型的监测方法

技术领域

本发明涉及一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型监测装置及其监测方法，可用于在位运行阶段核电站高温管道热疲劳行为的实时监测。

背景技术

电力工业是关系国计民生的重要行业。随着常规发电模式的成本增加和环境影响，核能作为一项稳定的清洁能源在能源结构的比重中将会增加。核电站的安全性和经济性是最重要的两个目标量。核电站一回路的管道长期在高温、高压、强辐照和高振动的复杂环境下工作，当核电站的阀门突然启动或者发生泄漏现象时，高温管道中流体的温度、流速和压强会发生较大的变化。这种温度的突然变化会在管道中发生热冲击或热分层等现象，同时还可能在和主管道相连的支管道中发生湍流侵入现象。热冲击、热分层和湍流侵入等现象都会使得在管道较小的区域内和较短的时间内产生很大的温度波动，从而形成比较大的热应力波动。在温度和应力长期作用下，管道材料的显微结构、力学性能、耐热性能、物理性能都会缓慢地变化，形成管道的热疲劳损伤，管道最终可能出现开裂失效的现象。

对于核电站一回路高温管道的热疲劳现象，国内外的科研机构和生产单位开展了大量的研究工作，积累了一些有意义的研究成果。但是，在现有研究中基本都是基于在实验室中进行模型实验研究，或者使用软件进行数值模拟研究，这些方法往往都无法反映出结构在真实工况下的真实反应。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型监测装置及其监测方法，该监测装置通过在管道外壁合理的位置布设温度传感器监测管道外壁温度变化，利用流量计测量各主管道和分支管道的流量变化。基于原型监测数据判断引起管道热疲劳的现象类型，通过一定的方法计算管道的真实温度场和应力场，为管道热疲劳损伤评估和延寿分析提供数据支持。

本发明采用的的技术方案是：一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型监测装置，包括后台服务器、外部数据储存服务器、数据采集模块和数据采集传感器，所述后台服务器通过数据传输线缆以总线形式或分布形式电连接一个或几个外部数据储存服务器，每个外部数据储存服务器通过数据传输线缆以总线形式或分布形式电连接一个或多个数据采集模块，每个数据采集模块通过传输线缆以总线形式或分布形式电连接多个数据采集传感器，传输线缆进行加固和屏蔽保护；所述数据采集传感器采用安装在管道温度测点表面的热电偶温度传感器和安装在管道流量测点上的流量传感器，在每个管道温度测点表面安装2-8个热电偶温度传感器。

一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型监测装置的监测方法实施步骤包括：

（1）监测传感器的选型

温度传感器的型号选择满足测量范围、测量精度和长期稳定性要求，选用铠装热电偶温度传感器，管道流体流量利用一回路高温管道现有的流量计；

（2）监测传感器在核电站一回路高温管道上的安装位置

依据核电站一回路管道热流体流动工况的数值模拟结果，明确重点监测部位，同时根据现场的实际情况避开焊缝和厚壁复杂结构区域，在其附近寻找温度补偿点，从而确定温度传感器在管道上的最终安装位置；

（3）监测传感器在高温管道外壁的布点方式

采用管道外壁布设温度传感器的测量方法，依据具体运行状况，同时结合流体的数值模拟结果，确定引起管道热疲劳的热流动行为类型，确定监测传感器布点个数；

（4）监测传感器的数据采集和传输形式

布置在管道外壁的温度传感器实时将测量值传输至测点附近的数据采集模块，分布在现场的一个或多个数据采集模块通过总线形式或分布形式将数据传输至外部数据储存服务器；

（5）监测传感器的集成方案

多个温度传感器和流量计同时集成在一套监测系统中，保存在外部数据储存服务器中的温度数据进行实时显示，同后台服务器进行同步集成；

（6）监测数据的热应力计算和存储

利用管道外壁温度测量结果结合监测管道的流量行为信息，快速计算出管道关键点的热应力和热应力时间变化行为，采用后台服务器对于外壁温度、管道流量和所计算得出的内壁温度、内壁热应力进行存储，存储的热应力数据供一回路进行疲劳损伤评估和延寿分析。

上述的技术方案基本原理是：核电站运行过程中在一些特殊工况下，需要在已经形成稳态平衡下的管道中注入大量热水（冷水），如果两种液体温差很大且注入速度很快，管道内壁的温度会急速变化，发生热冲击现象。热冲击使得管道内外表面产生很大的温差，使管道内壁表面的应力值接近或者超过材料的初始屈服极限。当管道中存在两种流体的交汇时，重力方向上由于温度不同引起的流体密度差异，造成冷流体处于下方，热流体处于上方的流动分层现象就叫热分层。热分层将会在管道内壁较小的区域内产生较大的温度梯度，形成高热应力区域。在三通管道中，如果支管道是弯管，同时支管道中的冷流体停滞流动，则主管道中流动的热流体将在接口区域形成湍流，侵入到支管道停滞流动的流体中产生成梯度分布的温度场。当这种热分布穿透到支管的水平段时，会在水平段产生热分层。通过在核电站一回路高温管道上安装原型监测装置，测量管道关键部位管壁的温度变化和管内流体的流量变化，可实现对引起热疲劳的三种热行为进行在线监测。

本发明的有益效果是：能在核电站正常生产的同时，保证对运行中的高温管道进行实时原型监测，及时反映各个管道关键部位的温度和流量变化情况，加深对热疲劳产生机理的认识，并为后续依据监测数据计算管道关键部位的温度场、应力场和疲劳损伤程度提供技术支持。

附图说明

图1为监测装置设计方案的流程图。

图2为核电站一回路高温管道上监测装置的安装位置。

图3为管道的三种连接形式。

图4为温度传感器在管道外壁的布设方式。

图5为监测装置采集、传输和集成的整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1为监测装置设计方案的流程图。该流程共分为6部分，包括传感器选型、安装位置选取、布点方式设计、数据采集和传输形式、多传感器集成方案、监测数据的热应力计算和存储方法。

传感器的选型因为是针对于高温管道的引起热疲劳的热行为进行监测的，管道的温度变化是整个监测的核心要素。由于核电领域高温管道的安全规范标准高，不允许在管道内壁进行传感器的安装。同时，高温管道的内部一般都面临着高温、高压、高辐射和强振动等复杂环境，温度传感器很难保持长期连续的工作，安装于管道内部的传感器也无法进行维护和替换。因此监测温度的传感器只能安装在管道外壁，对内壁温度进行间接测量。工业用的温度传感器一般有热电偶和热电阻两种，相对于热电阻型传感器测量空间的平均温度，热电偶传感器测量的是“点”温，更合适测量管道外壁这样的固体表面温度。N型热电偶长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，符合核电管道环境使用。同时铠装热电偶能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用。因此监测传感器选用N型铠装热电偶温度传感器。为了对高温管道的热行为进行深入的研究，在监测温度变化的同时还需要综合考虑管道内流体的流量变化情况。流量计的安装对高温管道的安全影响大，同时在原有管道的阀门附近一般都安装有流量计，因此管道流体流量利用一回路高温管道原有的流量计进行测量，将流量计集成进入整个热疲劳监测系统中，使其成为监测装置的一部分。

由于经济因素和核电特殊领域的限制，在所有位置安装温度传感器是不现实的。所以需要选取温度变化信息最丰富的关键位置，并尽可能布置最少的温度传感器来反应管道的温度变化状况，以使传感器的布点达到最佳的识别效果。监测装置的安装位置选取在引起热疲劳的热行为发生位置处或附近的补偿位置。热波动可能有热分层、热冲击或者湍流侵入作用引起。根据核电站一回路高温管道的连接布置方式，以及热波动产生的原因的不同，选取不同的安装位置。依据核电站多年积累的经验和数值模拟结果，热疲劳监测位置大多数位于一回路主管道、稳压器波动管、给水管和喷淋管等管线的管口位置或者阀门附近位置。

图2为某核电站一回路高温管道连接方式及设计的传感器安装位置。图2中罗马数字标注的是核电站一回路的主要设备，其中Ⅰ为核反应堆、Ⅱ为稳压器、Ⅲ为蒸汽发生器、Ⅳ为冷却剂泵。图2中阿拉伯数字标注的是一回路主管道以及相连接的一些支管道名称，其中1为主管道冷段、2为主管道热段、3为波动管线、4为冷却剂管线、5为安全注入管线、6为蓄压注入管线、7为余热排出管线、8为上充管线、9为下泄管线、10为辅助喷淋管线、11为喷淋管线、12为蒸汽管线、13为给水管线、14为辅助给水管线。图中圆圈标注的位置即为所列出监测点的特征位置（实际安装位置避开焊缝区域和厚壁复杂结构区域），主要区域涵括主管道和波动管的各个管口位置、各个支管道和主管道的交汇区域、各个支管道阀门位置附近等。

图3为管道的三种连接形式。图3中的（a）图一般为主管道同高压支管道相连的方式，在高压的长期作用下，如果阀门发生渗漏，则在A区域发生的热疲劳较为严重（A区域为5＜L/D＜20，其中D为支管道的直径，L为支管口向阀门方向的深度，L不超过阀门）。图3中的（b）图为主管道同支管道水平的连接方式，热疲劳主要发生在B区域（B区域为5＜L/D＜20，其中D为支管道的直径，L为支管口向阀门方向的深度，L不超过阀门）。图3中的（c）图一般为主管道同低压支管道相连的方式，在长期湍流侵入的作用下，在C区域发生的热疲劳较为严重（C区域为L/D＜20，其中D为支管道的直径，L为支管口向阀门方向的深度，L不超过阀门）。

图4为温度传感器在管道外壁的布设方式。传感器通过一套特制的夹具固定并紧贴在待测管道外壁。多个温度传感器(图中列出7个传感器，实际安装中可根据管道热行为布设1-8个，测点位置由计算确定)均匀的布置在管道外壁一侧位置。当管道内部发生阀门开启、阀门泄露、湍流侵入、热分层等热波动行为时，温度传感器对应的测点位置的温度通过一定的方法进行计算后基本上可以描绘出管道内部流体的温度场变化情况。当管道内部发生热冲击行为时，只需两个传感器即可对热冲击行为进行监测。

图5为监测系统和监测装置的采集、传输和集成整体结构图。监测装置包括4部分，第Ⅰ部分为后台服务器，第Ⅱ部分为外部数据储存服务器，第Ⅲ部分为数据采集模块，第Ⅳ部分为数据采集传感器。其中后台服务器通过数据传输线缆以总线形式或分布形式电连接一个或几个外部数据储存服务器，每个外部数据储存服务器通过数据传输线缆以总线形式或分布形式电连接一个或多个数据采集模块，每个数据采集模块通过传输线缆以总线形式或分布形式电连接多个数据采集传感器。

布置在管道外壁的温度传感器将采集到的温度数据实时传输至测点附近的数据采集模块，现场的数据采集模块有信号转换和数据初步保存的功能。分布在现场的一个或多个数据采集模块通过总线形式或分布形式将数据同时传输至外部数据储存服务器进行分类和保存。由于现场的环境比较复杂（辐射、高温、振动），对传输线缆需要进行加固和屏蔽保护。

通过对核电站一回路高温管道热疲劳原型监测装置的集成方案设计，实现多传感器共同实时测量、传输和保存。保存在外部数据储存服务器中的各个传感器温度数据通过集成也可以进行分类实时显示，同时还可以同后台服务器进行同步集成，方便快速计算管道的热应力和热疲劳损伤程度等现场操作人员更加关注的目标量。

监测装置采集到的管道外壁温度测量结果结合监测管道的流量行为，采用反分析算法，快速计算出管道关键点的热应力和热应力的时间变化。后台服务器对于外壁温度、管道流量和所计算得出的内壁温度、内部热应力进行存储。

通过本发明能在核电站正常生产的同时，对运行中的高温管道进行实时原型监测，及时反映各个管道关键部位的温度变化情况，加深对热疲劳产生机理的认识。监测到的温度数据和流量数据，结合计算的温度场、应力场，可供对核电站一回路高温管道进行疲劳损伤评估和延寿分析。

Claims (1)

1.一种用于核电站一回路高温管道热疲劳原型监测装置的监测方法，监测装置包括后台服务器、外部数据储存服务器、数据采集模块和数据采集传感器，所述后台服务器通过数据传输线缆以总线形式或分布形式电连接一个或几个外部数据储存服务器，每个外部数据储存服务器通过数据传输线缆以总线形式或分布形式电连接一个或多个数据采集模块，每个数据采集模块通过传输线缆以总线形式或分布形式电连接多个数据采集传感器，传输线缆进行加固和屏蔽保护；所述数据采集传感器采用安装在管道温度测点表面的热电偶温度传感器和安装在管道流量测点上的流量传感器，在每个管道温度测点表面安装2-8个热电偶温度传感器；其特征是：所述监测方法实施步骤包括：

（1）监测传感器的选型

温度传感器的型号选择满足测量范围、测量精度和长期稳定性要求，选用铠装热电偶温度传感器，管道流体流量利用一回路高温管道现有的流量计；

（2）监测传感器在核电站一回路高温管道上的安装位置

依据核电站一回路管道热流体流动工况的数值模拟结果，明确重点监测部位，同时根据现场的实际情况避开焊缝和厚壁复杂结构区域，在其附近寻找温度补偿点，从而确定温度传感器在管道上的最终安装位置；

（3）监测传感器在高温管道外壁的布点方式

采用管道外壁布设温度传感器的测量方法，依据具体运行状况，同时结合流体的数值模拟结果，确定引起管道热疲劳的热流动行为类型，确定监测传感器布点个数；

（4）监测传感器的数据采集和传输形式

布置在管道外壁的温度传感器实时将测量值传输至测点附近的数据采集模块，分布在现场的一个或多个数据采集模块通过总线形式或分布形式将数据传输至外部数据储存服务器；

（5）监测传感器的集成方案

多个温度传感器和流量计同时集成在一套监测系统中，保存在外部数据储存服务器中的温度数据进行实时显示，同后台服务器进行同步集成；

（6）监测数据的热应力计算和存储

利用管道外壁温度测量结果结合监测管道的流量行为信息，快速计算出管道关键点的热应力和热应力时间变化行为，采用后台服务器对于外壁温度、管道流量和所计算得出的内壁温度、内壁热应力进行存储，存储的热应力数据供一回路进行疲劳损伤评估和延寿分析。