浅析CPR1000核电厂防甩装置安全性试验设计

浅析CPR1000核电厂防甩装置安全性试验设计
通过本文的防甩装置安全性试验设计验证CPR1000核电厂防甩装置的安全性；获取实测的U-bolt冲击试验和材料动态拉伸试验数据，对现有甩击力计算方法进行验证与改进，为设计提供参考和依据；有助于实现核岛防甩装置的国产化。

标签：核电厂；防甩装置；安全性试验
1 引言
核电厂高能管道在运行期间会有压力的脉动和过高的压力出现，使管道材料机械性能降低，从而可能引起管道破裂。

管道突然破裂，泄露的高压流体会对管道产生很大的横向力，在喷射力的作用下，破裂的管道会产生很高的横向速度，并使管道绕着管道上的一个局部变形区作高速旋转运动，即管道甩动现象，破裂的管道会打到其他管道、设备或仪表上，造成这些器件的破坏，从而加剧事故的严重性，造成连锁式的危害。

为了减轻管道破裂产生的后果，需要对管道破裂后的甩动规律进行认真研究，并设置相应的防护措施，尽量减少可能的破坏。

为了验证验证CPR1000核电厂防甩装置的安全性，对防甩装置（以下简称U-bolt）进行冲击试验、材料动态拉伸试验和计算机仿真模拟，以获取实测的U-bolt冲击试验和材料动态拉伸试验数据，对现有甩击力计算方法进行验证与改进，为设计提供参考和依据，同时也将有助于实现核岛防甩装置的国产化。

2 试验设备和仪器
2.1 电子万能试验机
低应变率拉伸试验使用电子万能试验机进行。

该电子万能试验机型号为DDL50，由长春机械科学研究院有限公司制造，可实现0～500 mm/min的加载速度，最高载荷达50 kN，主要包括加载试验系统和数据采集系统。

配置不同夹具，可用于金属材料、非金属材料、复合材料性能的拉伸、双向拉伸、压缩、剪切、压弯、扭转、剪切、剥离、撕裂以及应力、应变控制试验等。

同时和试验机厂家合作开发，将试验室非接触图像采集系统集成于一体，提高了试验中变形测量精度。

2.2 中应变率液压伺服材料试验机
中应变率拉伸试验使用中应变率液压伺服材料试验机进行。

该试验设备由试验室自主设计，采用了液压动力系统，可以在试验过程中提供稳定的动力输入，通过设计不同尺寸的试件，中应变率材料试验机可以实现汽车碰撞模拟中重点关注的1～500 /s应变率范围的材料拉伸试验，同时设计不同夹具，在该设备上实现了材料的剪切、压缩、弯曲、穿孔等试验。

3 CPR1000核电厂防甩装置安全性试验安排
CPR1000核电厂防甩装置的安全性试验内容包括3种不同的U-bolt进行冲击试验、材料拉伸试验和计算机仿真模拟。

3.1 冲击试验
对3种不同结构的U-bolt，包括有护板和无护板情况，在指定的能量下进行台车动态冲击试验。

其中对U-bolt-1进行10次有效的台车动态冲击试验，对U-bolt-2和U-bolt-3各进行4次有效的台车动态冲击试验。

3.2 材料拉伸试验
主要包括：台车动态冲击后静态拉伸试验、：在冲击试验结束后，选取试验后为断裂并且无护板的U-bolt进行静态拉伸试验。

其中对U-bolt-1进行7次有效的台车动态试验后的静态拉伸试验，对U-bolt-2和U-bolt-3分别进行3次有效的台车动态试验后的静态拉伸试验。

4 CPR1000核电厂防甩装置安全性试验设计方案
4.1 U-bolt静态拉伸试验
进行U-bolt静态拉伸试验是为了找到U-bolt结构上的薄弱处。

进行U-bolt 静态拉伸试验需要针对3种U-bolt结构分别进行夹具的设计，由于U-bolt本身尺寸较大，需提前确定万能试验机是否能够完成U-bolt静态拉伸试验，如不能需要更换行程更大的试验仪器设备。

在U-bolt静态拉伸试验过程中，万能试验机自身能够采集加载力、加载时间和位移信息。

此外，在合适的条件下可以在U-bolt结构的弧顶、圆弧与直管相交处和直管底端分别粘贴应变片，测量静态拉伸过程中U-bolt各处的应变信息。

试验流程如下：
（1）安装夹具；
（2）对试件进行编号，粘贴应变片，拍照；
（3）根据试验内容调整试验设备参数，测量试验室内温度、湿度；
（4）装夹试件，并检查；
（5）操作试验设备进行拉伸，同时完成试验数据采集；
（6）保存试验数据；
（7）拆卸试件，拍照，准备下一次试验。

4.2 U-bolt动态冲击试验
U-bolt动态冲击试验主要模拟实际管道破裂后对U-bolt的冲击，检验U-bolt 的吸能。

试验中通过调整台车速度和质量使台车以试验规定的能量撞击U-bolt，在碰撞过程中忽略摩擦、U-bolt安装支架变形等引起的能量损耗，认为台车的全部动能均由U-bolt变形吸收。

试验过程中需要根据3种不同的U-bolt结构设计安装支架，并设计台车的碰撞头。

之后进行试撞，根据试装结果检验试验中设置的撞击能量的合理性，并进行调整。

试验中在台车上安装2-3个加速度传感器，采集台车加速度信号，在合适的条件下可以在U-bolt结构的弧顶、圆弧与直管相交处和直管底端分别粘贴应变片，测量动态冲击过程中U-bolt各处的应变信息。

试验中U-bolt水平放置，台车前安装竖管与其碰撞。

5 结语
核电厂防甩装置安全性试验设计是一项复杂的系统性工程，防甩击结构在CPR1000压水堆核电站中占有非常重要的地位，因此只有对其内部及外部与公共安全相关的因素进行全面的评估，最终使得核安全的风险大大降低。

本文论述了核电站防甩装置性能实验测试规范，设计了实验过程，为核电站防甩装置性能测试提供依据。

参考文献：
[1]Brock D.工程断裂力学基础[M].王克仁等译.北京：科学出版社，1980.
[2]冯奕敏，周雷靖.核电站常规岛内防甩击结构设计简介[J].建筑设计，2009（11）：17-18.
[3]彭雪平，周玉.核电站常规岛防甩装置动力荷载分析[J].广东土木与建筑，2010（09）：15-17.
作者简介：梁玉波（1980-），男，辽宁建平人，工程师，江苏电力装备有限公司设计人员。