蒸汽发生器干燥器声疲劳试验模型仿真研究

李 奇 张 锴 祖洪彪

1（上海海基盛元信息科技有限公司 上海 200235）2（上海核工程研究设计院 上海 200233）

蒸汽发生器干燥器声疲劳试验模型仿真研究

李 奇1张 锴2祖洪彪2

1（上海海基盛元信息科技有限公司 上海 200235）2（上海核工程研究设计院 上海 200233）

随着核电厂采用提升功率的方式提高发电效益，蒸汽发生器中的干燥器部件容易受到较高的脉动压力载荷而导致声疲劳。本文介绍了蒸汽发生器干燥器声疲劳试验方案：蒸发器上腔室缩比模型研究。利用计算声学软件ACTRAN进行仿真分析，研究试验装置内部声载荷分布特征。研究结果为后续试验测点布置提供技术支撑。

核电，干燥器，声疲劳，ACTRAN

1 蒸汽发生器干燥器的声疲劳隐患

核电站自然循环蒸汽发生器中的汽水分离装置包括汽水分离器和干燥器，是蒸汽发生器中的主要部件。近期对蒸汽发生器的研究表明，随着核电企业采用提升功率的方式提高发电效益，其内部的干燥器容易受到较高的脉动压力载荷而导致声疲劳[1]。在美国，沸水堆(BWR-3)提升单堆功率后，蒸汽湿度随之增加。单堆功率提升17%后，对蒸汽发生器干燥器进行检修发现，由于声致振动将导致其出现高周疲劳损伤。

2 声疲劳问题的成因

随着科技工作者对蒸汽发生器干燥器深入研究，发现主蒸汽管线阀门的声共振是导致蒸汽发生器干燥器失效的重要原因[2,3]。

蒸汽经过安全阀，形成空腔共鸣声，安全阀和主蒸汽管线连接处的声场与不稳定的涡旋相互作用产生声共振，如图1所示[4]。安全阀在主蒸汽管线上引起的流致声共振被认为是主要声源。图2显示其声压力波经主蒸汽管线传播，作用到干燥器表面，引起干燥器声疲劳破坏[5,6]。声疲劳成为影响蒸汽发生器安全可靠性的重要隐患。

图1 安全阀管道内的流致声共振现象Fig.1 Flow-induced acoustic resonance phenomenon.

图2 蒸汽发生器干燥器声疲劳问题原理图Fig.2 Schematic diagram of the steam dryer.

3 蒸汽发生器上腔室模型研究

为评估目前核电站蒸汽发生器干燥器的声载荷及声疲劳问题，本文对蒸汽发生器上腔室模型进行仿真分析。通过在主蒸汽管道出口端施加单位声载荷，预测干燥器表面声载荷分布特征，为后续试验研究及干燥器声疲劳分析提供技术支撑。

3.1计算方法与理论基础

本研究工作使用计算声学软件ACTRAN，其基于有限元方法，求解声波动方程获得空间内声场分布。

假定流体是理想的声学介质，则声波动方程为

对于无吸声材料的刚性壁面Ar上：

对于无吸声材料的柔性壁面Ae上：

对于有吸声材料的壁面Aa上：

式中，c为流体介质中的声速，p为瞬时声压，2▽为拉式算子，0ρ是流体密度，Za为吸收表面Aa的声阻抗率，为振动表面的法向加速度分量。

3.2几何模型

干燥器声疲劳试验腔体截面侧视图如图3(a)所示，采用缩比模型。内部由八个干燥器试验件组合而成，红色为孔板。内部单个干燥器试验件尺寸如图3(b)。

图3 中截面侧视图(a)和其中单个干燥器试验件模型Fig.3 The side view of the section(a) and single steam dyer model(b).

3.3有限元模型

根据蒸发器上腔室分析需求，建立上腔室网格模型，如图4。中心圆孔为入口端，用于加载声学激励。分析中施加的声载荷为1Pa。内部材料为空气域，密度为1.225 kg/m3，声速为340 m/s。上腔室模型底部定义为多孔吸声材料，其余边界为刚性壁面，声波全反射不会被吸收。

图4 蒸发器上腔室网格模型俯视图Fig.4 Vertical view of the upper chamber of steam generators finite element model.

3.4计算结果

在入口端施加声压载荷，计算蒸发器上腔室内部声压级频域分布云图，计算最高频率为4000 Hz。

图5显示，频率较低时由于声波波长较长，超过模型尺度，内部声场分布较为均匀，干燥器表面声压载荷与激励幅值相仿。最低声压级在入口端（94 dB，即定义的1 Pa声压载荷），上腔室内部声压级普遍高于激励端声压级数值。

图5 低频声压级分布云图Fig.5 Sound pressure level contour at low frequency.

当频率增加，声波在上腔室内部反射叠加，形成一定的驻波现象，即直达声波与腔内的反射声波相互干扰而形成的波形。图6为蒸发器上腔室内部中频声压级分布云图。干燥器安装位置声压级响应较小，最大声压级出现在入口端。

图6 中频声压级分布云图Fig.6 Sound pressure level contour at mid-frequency.

驻波现象的发生与声波频率、空间形状相关。在上腔室内部声压级分布在不同频率有较大的差异性。即使在狭小的蒸汽发生器上腔室内部，干燥器表面声载荷分布也有很大区别。由于试验测点布置难度大，因此后续试验方案测点的选择需要借鉴计算研究的声载荷分布特征。另外干燥器表面承受声载荷分布的不均匀性，对干燥器发生声疲劳的部位也有影响。

4 总结

为了研究国内核电站在功率提升时所面临的蒸汽发生器干燥器声疲劳隐患，本人调研国外同行的研究进展，并在此基础上采用计算声学软件ACTRAN进行仿真分析，为后续的试验方案提供技术支撑。

对蒸发器上腔室模型研究表明：当施加单位载荷时，上腔室缩比模型内部存在不均匀的声载荷分布，在某些频率处，干燥器表面声载荷有非常大的差异性。因为上腔室内部空间狭小，通过试验方法研究干燥器表面的声载荷，需注意测点布置对测试结果的影响。研究中获得的各频率声场分布特征，可根据声学相似准则转换为对应频率的结构承受声载荷，为进一步声疲劳分析提供输入数据。

目前国内在核设备包括蒸汽发生器干燥器声共振引起的疲劳研究还处于起步阶段，本文的研究成果与思路可供相关领域的研究人员参考。

1 Daniel V Sommerville. Scaling laws for model test based BWR steam dryer fluctuating load definition[C]. Proceedings of PVP2006-ICPVT-11, 2006 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, PVP2006-ICPVT-11-93703

2 Keita Okuyama, Akinori Tamura, Masaya Ohtsuka, et al. Flow visualization of acoustic resonance for safety relief valves in power uprated BWRs[C]. Proceedings of the 17thinternational conference on nuclear engineering, ICONE17-75035

3 Shiro Takahashi, Masaya Ohtsuka. Experimental study of acoustic and flow-induced vibrations in BWR main steam lines and steam dryers[C]. Proceedings of PVP2008, 2008 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, July 27-31, 2008, Chicago, Illinois, USA, PVP2008-61318

4 Okuyama K, Akinori Tamura, Shiro Takahashi, et al. Flow-induced acoustic resonance at the mouth of one or two side branches[J]. Nuclear Engineering and Design, 2011, 249: 154−158

5 Masaya OHTSUKA, Kiyoshi FUJIMOTO. Study on acoustic resonance and its damping of BWR steam dome[C]. Proceedings of ICAPP’06 Reno, NV USA, June 4-8, 2006: 6186

6 Jin Yan, Francis Bolger. Acoustics impact on steam dryer induced by main steam line break in a boiling water reactor[J]. Nuclear Engineering and Design, 2009, 239: 2843–2848

Research on acoustic fatigue experimental models of the dryer in steam generators

LI Qi1ZHANG Kai2ZU Hongbiao2
1(Shanghai Hikey-Sheenray Information Technology Corporation, Ltd., Shanghai 200235, China) 2(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: When upgrading the reactor power to promote the power efficiency of nuclear power plants, the BWR steam dryer is easier to be damaged by high cycle pulsating pressure, which is called acoustic fatigue problem. Purpose: An acoustic fatigue experimental schemes in steam generators is designed to study the acoustic load on the steam dryer. Methods: The acoustical computational software ACTRAN has been applied to simulate the acoustic pressure distribution inside scaled model of the upper chamber of steam generators. Results: Sound pressure level contour distributions at different frequencies are predicted. Conclusions: Sound pressure level contour distribution at mid-frequency is heterogeneous which is different with the low frequency one.

Nuclear power, Steam dryer, Acoustic fatigue, ACTRAN

TB534+.3，TM623.8

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040622

李奇，男，1981年出生，2009年于上海同济大学声学所获理学博士学位，2008年于瑞典皇家工学院获副博士学位，研究领域：计算

声学、噪声与振动控制、气动声学

2012-10-31，

2013-01-21

CLC TB534+.3, TM623.8