引言
电站在运行时，各系统管道中的流体需要不停地流动确保电站能够正常运作产生电力。这些管道中的流体时而从一根主管中分流到若干个支管，时而从若干个支管合流到某一个主管中。在分流时，大部分采用三通或与三通类似的管件来执行分流功能，这时，由于支管与主管多呈垂直状态，因此支管内的水只能靠系统内的压差来流动，而无法靠主管内的流体动能来驱动流体，在这种情况下，支管流量经常不能满足设计要求。为了应对上述情况，一种安装在管道内部的特殊管件随之产生，它的结构较为特殊，以往运用经验少，因此其设计合理性与可靠性需要得到进一步验证。
1、背景介绍
图1-1中的管件即是本文要讨论的一种增压管件，它常使用在大口径管道上中的支管开口处，在很多项目中均有使用，但其设计的合理性和可靠性很少有针对性的论述。本文以国内某核电项目中的一型该类管件的设计进行探讨，其材料为SA376-TP316LN。该型管件在本项目中被称为勺型内伸件。
该勺型内伸件负责从主管上引入流体动能，保证能够为终端用户持续不断地提供喷雾流，图2-1是项目中使用的勺型内伸件及与之匹配的三通的结构设计图：
2、对流道的影响探讨
2.1 流场探讨
在电站中，经常会发生终端用户所需流量不足的情况，这主要与设计人员对管线中的压力损失预判不足有较大关系。在第二章中提到的某电站项目中的部分带支管的主管就针对此问题专设了增压管件，即采用勺型内伸件转化的压头作为冗余来应对前文提到的那些不可知压损。
以下是采用流体数值模拟软件FLUENT对含有勺型内伸件的主管及支管进行分析，并辅以其和通径管流场的对比，来确定这样的设计是否有必要。
2.2.1 CFD数值模拟
本次数值模拟采用了Fluent分析软件，采用三维湍流稳态分析方法对喷雾管接管座元件的流场情况进行了数值模拟。
模型与边界条件
据图2-1，截取喷雾接管嘴附近冷管段在Fluent前处理软件Gambit中搭建的模型如下：
主管的进口采用速度边界，设置为V=21m/s；
主管的出口采用压力出口边界，设置为P=-500Pa（环境压力设定为0Pa）；
支管嘴出口设定为压力出口边界，设置为P=-500Pa
流体介质的密度为763kg/m3，粘度为9.6x10-5kg.m.s
流场情况
经过Fluent迭代计算，得到的收敛的结果。管嘴部分流场的速度分布情况如下图。
图3-3 速度分布
Fig.3-3 Velocity Ditribution
结果分析
Average of Facet Values
Total Pressure （pascal）
--------------------------
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根据速度分布图来看，主管内的漩涡情况和湍流强度并不明显。
截取主管进口截面和支管出口截面的平均压力得到支管出口截面的压力为165.1kPa，而设计中要求该出口的压力为162kPa。
流场分析结果显示勺型内伸件未对主管内的流场未产生影响，同时该设计也能保证支管出口压头。
3、勺型内伸件设计
据图1-1可知，勺型内伸件是一层5mm厚的球形壳体。因其内外表面均受到流体的冲刷，所以按电站项目一般运营40年左右的时间来计算（按照腐蚀手册中每年0.05mm的腐蚀速度估算），在运行到第40年时，该勺型内伸件的厚度尚存1mm。下面的分析将对电厂运行至第40年的勺型内伸件进行定量的分析，以此模型来判断当时的结构稳定性及应力较大区域，如结构稳定则说明设计可靠。
3.1 、1mm厚勺型内伸件有限元分析
3.1.1 模型简介
本分析采用ANSYS11.0进行分析，使用其中的SOLID95单元。
边界条件的考虑
勺型内伸件与主管连接处是全焊透接头，且过渡区相对勺型内伸件壁厚要大。由于过渡区的结构刚度比仅有1mm厚的壳体大很多，因此将与主管道相连的勺型内伸件过渡区固定，限制这些点的位移。勺型内伸件模型本身的各项物理参数取自设计温度280℃时不锈钢的通用物理参数。
载荷的考虑
本模型被近似成一个多面体。已知主管内的流体流速和冷却剂的密度，将流体假想为一股射流，将模型简化为受反应堆冷却剂射流喷射的一个部件，冷勺型内伸件吸收所有射流带来的冲击力，将冲击力按面积分摊，并按照计算以后获得的正压力，将这些压力加载在勺型内伸件的内表面上，见图5-2。
下式为正压力计算公式：
F/A=ρ×u2
u为冷段内冷却剂流速，20.27m/s
ρ为冷段内冷却剂密度，763.24 kg/m3
3.1.2、分析结果
由上述分析可知在除开其他不利因素的情况下，仅仅在流体的冲击作用下，1mm厚度的勺型内伸件的结构相对稳定，应力较大区域发生在焊接过度区域的末端。此时Von Mises等效应力达到28MPa，相对ASME-BPVC-II D篇中TP316LN不锈钢的300℃下屈服强度（130MPa）还有较大裕量。因此可以认为勺型内伸件的结构设计可靠。
3.2、改进方向探讨
虽然1mm厚的勺型内伸件仍结构稳定，但未了以防不测，应适当将勺型内伸件加厚，焊接过渡区域以及勺型内伸件的背部应当尽量平缓，从而与主管内壁平滑过渡，防止勺型内伸件的背部产生空腔和漩涡。
4、设计改进
针对勺型内伸件的设计改进则主要以加厚为主，防止其在意外和不测对勺型内伸件产生破坏，从而丧失其对主管的增压作用，甚至使有关系统瘫痪。除此外还对应力较大的区域作了加强，这样能防止此部位提前破坏还能有效地避免勺型内伸件的背部产生空腔和漩涡。
结语
本次探讨的重点在勺型内伸件对主管的流场影响及其自身结构可靠性上，意在证明某电站使用的增压管件的设计合理可靠。同时，本文还提出了相关改进设计方向，为今后的有关设计提供了有意义的参考。
由于目前单从流体或者固体中的某一方面去研究是不够的。在设计本身满足规范要求的情况下，应当将数值分析模型向流固耦合的方向发展，综合考虑流体与固体的相互作用，为今后的类似增压管件设计提供更加充分的设计依据和参考。
论文作者:徐臻
论文发表刊物:《电力设备》2017年第1期
论文发表时间:2017/3/13
标签：流体论文; 管件论文; 压力论文; 电站论文; 冷却剂论文; 模型论文; 结构论文; 《电力设备》2017年第1期论文;