Mente-Carlo方法在热交换器传热管降质评估中的应用.pdf
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1、 收稿日期:作者简介:韩冬傲()男工程师 现主要从事进口民用核安全级设备安全检验工作 方法在热交换器传热管降质评估中的应用韩冬傲丁志伟金 刚浦承皓(生态环境部核与辐射安全中心 北京 上海核工程研究设计院 上海)摘要:结合 的无损检测数据对无损检验的不确定度和传热管降质增长量进行 模拟建立了一种简便有效的传热管完整性评估方法 通过该方法计算了某电站某型热交换器传热管堵管限值当传热管整体降质超过 或者 时应该对传热管进行维修或堵管 建立的计算传热管完整性评估方法可根据具体设备的特定工况进行分析计算制定堵管维修准则避免了热交换器运行管理过程中太过保守或裕量不足的风险具有较高的可信度提升了热交换器运行
2、经济价值关键词:传热管堵管完整性评估蒙特卡洛模拟维修限值分类号:文献标识码:文章编号:()():.:前 言核电、火电和化工厂热交换器的传热管易受设计、制造、保养和运行工况等多种因素影响而产生降质或壁厚减薄导致传热管破裂或崩管 以核电厂为例国外运行经验表明在大约 座正在运行的压水堆核电站中目前有 台蒸汽发生器在运行不到 年就被迫更换其中运行时间最短的仅 年著名的传热管失效案例有:()应力腐蚀裂纹()降质(如图 所示)是传热管最主要降质机理 号机组(装有西屋 型蒸汽发生器)在 年 月 日经历了一次蒸汽发生器管子断裂事故 事故由外径表面的.轴向应力腐蚀裂纹导致()微振磨损/机械磨损降质通常由管子或其
3、支撑的振动相互作用导致 西屋 型和 型蒸汽发生器的防振条()支撑处、预热器区域内隔板处以及内支撑板处都曾发生过机械磨损()高周疲劳降质 年 月 日北安纳 号机组(装有西屋 型蒸汽发生器)发生 事故在最上层的支撑板正上方由于出现高周疲劳致使号管子出现图 典型传热管应力腐蚀失效环向裂纹美国联邦法规 建立了核电蒸汽发生器管子在内有关 的基本要求对异常泄漏、裂纹快速扩展和管子断裂方面的管理要求、设计裕量、定期检验以及完整性和密封性都做出了规定 同样在火电和化工行业针对热交换器传热管的在役检查评估和运行监测都具有相关规定对于在役热交换器的传热管需在正常运行条件下和所有设计基准事故工况下保持结构完整性而不
4、发生崩管或压溃事故 以核电为例目前在世界各国的核电站中通常对蒸汽发生器采取“整体降质 堵管限值”的运行管理要求 即当运行期间的无损检测(涡流)结果显示传热管的降质超过 时必须对传热管进行修复或堵管 但是不同设计工况和应用场景的热交换器其传热管堵管的裕量第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.选择若笼统采取统一的限值既存在裕量不足的风险也可能导致过于保守缺乏经济性 因此在已有经验基础上根据已有电厂热交换器的无损检测数据经验采用 方法对热交换器传热管的完整性进行评估建立差异化的传热管维修或堵管限值是一种简便实用的方法具有重要的意义 传热管结构完整性准则()通常热交换器在运行期间被要求定期开展在役
5、检查可根据热交换器的具体工况和缺陷型式建立传热管结构完整性准则()计算堵管限值 计算需考虑的运行变量因素包括:经验数据的不确定度材料特性的不确定度缺陷的增长量测量的不确定度等如图 和图 所示传热管结构完整性准则的建立步骤为:图 传热管结构完整性评价因素图 传热管维修/堵管限值计算流程()根据设计规范和结构完整性要求建立载荷和结构参数的关系得到缺陷参数的结构限值 对于不同的缺陷型式其评估结构参数选择也不同对厚度方向腐蚀用壁厚减薄量()表征对周向裂纹用周向降质面积()表征如图 所示()由于经验公式、材料力学性能存在误差且缺陷大小通过无损检测进行测定测量时有很多不确定因素 因此需根据测量的不确定度材
6、料性能的不确定度和经验公式的不确定度对结构限值进行修正得到状态监测限值()在下一次热交换器在役检查之前传热管的工作状态应满足结构完整性要求因此需要考虑缺陷在一个检查周期里的增长 通过传热管降质增长量对状态监测值进行修正得到维修限值()传热管发生降质后传热管的性能应该在 置信区间内以 的置信度满足维修限值的要求否则就要采取堵管或其它维修措施进行修复图 壁厚减薄和周向腐蚀降质 维修限值计算.涡流检查的不确定度电涡流检查技术广泛应用于热交换器传热管无损检测检测系统的不确定度包括:检查人员、检查设备、使用标准、检查程序等造成的误差 为了评定系统的检测误差常通过对已知裂纹样本进行重复检测获得离散的检测数
7、据集()若成功检测到缺陷()设为 若检测不到缺陷 取值为 通过对 数据进行最大似然估计可以对电涡流系统的检查精度进行评定在分析 数据时建立连续的 回归模型:()/()或者 回归模型:()/()式中 为结构变量(减薄厚度 周向降质比 等)、为拟合参数缺陷的尺寸越大测量系统的误差也越小尺寸达到一定程度后 值趋于 实测数据和 模型的结果如图 所示图 模型与实测值采用基于概率分析的 方法可以便捷地对电涡流检查系统的 函数进行计算机仿真并且能够计汽 轮 机 技 术 第 卷算人为因素等噪声 的影响 用计算机随机生成大量均匀分布的结构变量 样本即在 范围内随机生成壁厚减薄量 或周向降质比 并且同时生成对应的
8、电涡流检测结果的信号电压:()假定对大量传热管上相同的缺陷电涡流检查得到的信号电压以估计值 为中心满足正态分布 当信号电压 大于阈值电压 时认为缺陷被成功检测 因此 值为阈值电压线以上的分布面积如图 所示即:()()/式中 为 回归分析误差 为累积正态分布函数 为正态分布均值 ()/为正态分布方差 /、为回归拟合参数 为线性回归标准差图 函数构建方法示意图测量噪声 的分布对 函数的结果影响很大不同的噪声对 模拟的结果影响如图 所示 考虑噪声 的影响将信号电压 除以 得到带噪声的 模拟量(/):(/)()/这样便用 方法生成了与测量噪声 有关的信号电压 的无偏估计样本集图 不同噪声分布 对 结果
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