摘要：根据核电站U-bar型管道防甩约束件的结构特点，设计和搭建了重锤冲击试验台架来模拟防甩件动态冲击过程，并通过测定分析U-bar拉伸量、根部支反力等参数初步进行防甩件性能和性能影响因素研究，明确冲击能量是直接影响防甩件性能的关键因素，为U-bar型防甩件的设计、制造和试验论证提供了理论参考。
关键词：防甩件；U-bar；冲击试验；冲击能量
核电站管道防甩约束件（以下简称防甩件）用来约束高能管道断裂时甩动，并吸收管道甩动的能量和冲击力，防止邻近的构筑物、设备及管道损坏。在管道正常运行状态下，防甩件不对管道产生约束，这需要防甩件与管道之间预先设置一定的间隙，以适应管道热胀移动[1]。但由于间隙的存在，当管道发生断裂时，管道在甩击到防甩件的过程中会积累一定的冲击能量，这部分能量需通过防甩件进行吸收。同时，防甩件在吸收这部分冲击能量的过程中，要求其产生的根部支反力不能过大，以保证生根结构的完整性。
防甩件可根据其结构形式及能量吸收部件的不同分为U-bar型、压扁型、弹性结构型和H型等类型[2][3][4]，其中U-bar型防甩件能量吸收能力最好，因此在核电站中的应用最为广泛。为保证防甩件的性能，应在设计制造过程中充分考虑U-bar型防甩件的性能影响因素，并采取合理的试验方案对U-bar性能参数及影响因素进行研究验证。
本文将根据U-bar型防甩件的结构特点，设计动态冲击试验台架，并针对性能参数进行试验研究，为U-bar型防甩件的设计、制造和试验论证提供理论基础和参考。
1 U-bar型防甩件结构特点
U-bar型防甩件由U-bar（高延展性的不锈钢棒材制成）和弹性结构（碳钢或合金钢制成），典型的U-bar型防甩件组成如图1所示。U-bar两端与螺纹吊头之间采用螺纹连接，螺纹吊头与吊耳采用销轴连接，吊耳焊接于底板上。同时，在U-bar上，面向管道一侧衬有弯板，弯板通过卡环与U-bar连接。利用高延展性U-bar材料的塑性变形来吸收管道破裂产生的能量和载荷。防甩件在抵挡管道甩击时，弹性结构仍保持弹性状态。
1底板；3销轴；5垫圈；7U-bar；9螺栓
2吊耳；4开口销；6螺纹吊头；8垫板；10卡环
图1 典型U-bar型防甩件结构
2 动态冲击试验台架设计
冲击试验台架采用重锤冲击原理。将一定质量的重锤提升到一定的高度，经自由落体后，加速到一定的速度，并撞击U-bar，U-bar经过几何变形、弹性变形和塑性变形，将冲击能量部分吸收并传递到试验台支座上，通过此过程，模拟断裂管道甩管对防甩件的冲击过程。
试验台架主要由以下部分构成：安装支座、导向装置、钢结构平台、落锤基础、重锤以及吊车，见图2。试验时，将U-bar试验件固定在支座上，通过吊车将重锤起吊至一定高度后下落冲击U-bar试验件，测量和收集根部支反力、U-bar拉伸量等性能参数。
图2 冲击试验台架示意图
3 动态冲击试验性能分析
3.1 甩管质量对U-bar拉伸量的影响
在重锤动态冲击试验中，可通过改变重锤质量模拟不同甩管质量对U-bar拉伸量的影响。试验分别选定质量为426kg、462kg、506kg、546kg和588kg的5组重锤，在同一高度（4m）下落冲击U-bar防甩件，随着重锤质量增加，U-bar防甩件受到冲击后的拉伸量随之增加，结果见图3。可见，在相同甩击速度下，甩管质量越大，U-bar拉伸量越高。
图3 不同质量重锤在4m冲击高度下的U-bar防甩件拉伸量
3.2 甩击速度对U-bar拉伸量的影响
在重锤动态冲击试验中，可通过改变冲击高度模拟不同甩击速度对U-bar拉伸量的影响。试验选定质量为506kg的重锤，分别在高度为2000mm、2708mm、3417mm、4000mm、4743mm下落冲击U-bar防甩件，随着冲击高度增加，U-bar防甩件受到冲击后的拉伸量随之增加，结果见图4。可见，在相同甩管质量下，甩击速度越大，U-bar拉伸量越高。
图3 同一重锤（506kg）在不同冲击高度下的U-bar防甩件拉伸量
3.3 甩击能量对U-bar拉伸量的影响
根据试验结果可知，不同质量重锤在不同高度冲击U-bar防甩件时，若重锤质量与冲击高度的乘积相同，U-bar的拉伸量基本相同，见表1。在重锤动态冲击试验中，重锤对U-bar的冲击能量来自于重锤下落时的初始势能，若重锤质量与冲击高度的乘积相同，则重锤下落时的初始势能相同，即重锤的冲击能量相同。由此可以推断，U-bar防甩件的拉伸量主要由管道甩击过程中的冲击能量决定，冲击能量越大，则拉伸量越高。
表1 不同质量重锤在不同冲击高度下的U-bar防甩件拉伸量
进一步分析冲击能量对于U-bar防甩件根部支反力的影响，见表2。可见，在相同冲击能量下，U-bar防甩件的根部支反力基本相同，随着冲击能量增加，U-bar防甩件的根部支反力会随之增加。
表2 不同冲击能量下的U-bar防甩件根部支反力
因此，当管道甩击U-bar型防甩件时，管道质量及甩击速度的变化均会引起防甩件形变拉伸量和根部支反力发生变化，且这两个变量通过冲击能量这个因素直接影响防甩件的性能。
4 结语
U-bar型防甩件利用高延展性材料的塑性变形来吸收管道破裂产生的能量和载荷，在抵挡管道甩击时，弹性结构仍保持弹性状态。可采用重锤冲击试验模拟断裂管道甩管对防甩件的冲击过程。管道质量及甩击速度的变化均会引起防甩件形变拉伸量和根部支反力发生变化，且这两个变量通过冲击能量这个因素直接影响防甩件的性能。上述研究为U-bar型防甩件的设计、制造和试验论证提供了相应的理论参考和借鉴。
参考文献:
[1] 林诚格，郁祖盛．非能动安全先进压水堆核电技术［M］．北京：原子能出版社，2010.
[2] 冯奕敏，周雷靖.核电站常规岛内防甩击结构设计简介[J].建材技术与应用，2009年11期.
[3] 仲伟龙.核电主管道甩击防护技术研究[J].企业技术开发月刊，2010年8月.
[4] 张兴田，操丰.基于双线性法的高能管道假象破口载荷分析及H型防甩击限制器设计［J］．核动力工程，2011年5期．
论文作者:钟林秀,陈旭路,铭超,施永兵
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/14
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