автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка метода расчета виброизноса и рекомендаций для повышения износостойкости труб теплообменного оборудования АЭС

л

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ им. И. И. ПОЛЗУНОВА (НПО ЦКТИ)

На правах рукописи УДК 620.178.16 + 532.529.5

ЧУРБАНОВА

Любовь Михайловна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ВИБРОИЗНОСА И РЕКОМЕНДАЦИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТРУБ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС

Специальность 05.14.03 — ядерные энергетические

установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1991

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И, И. Ползунова (НПО ЦКТИ).

Научный руководитель — кандидат технических наук Г. А. Лунин. Научный консультант — кандидат технических наук Е. Н. Гольдберг.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук В. И. Никитин;

кандидат технических наук А. И. Гуляков.

Ведущее предприятие—производственное объединение «Ижорский завод» им. А. А. Жданова.

Защита состоится

на заседании специализированного совета НиО ЦКТИ Д 145.01.02 по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 24, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ЦКТИ.

Автореферат разослан , '--199/ г

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре просим направить в адрес специализированного совета НПО ЦКТИ: 193167, Санкт-Петербург, ул. Красных электриков, д. 3.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Г. А. Лучиь.

-з-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Опит эксплуатации теплообменного оборудования АЭС свидетельствует, что одной из распространенных причин повреждения теплообмешшх труб и тепловыделяющих элементов (ТВЭЯ) в местах.,контакта их с дистанционирунща.ш решетками является виброизнос. Носмотря на значительное число работ, посвященных изучению виброизноса, единого мнения о механизме этого процесса нет, так как возникает множество слоишх и практически неразделимых механических, химических и тепловнх явлений.

В связи с этим изучение механизма виброизноса с целью отдания методики прогнозирования износа тегаообменнцх труб в дис-танционирующих решетках вследствие вибраций, вызванных потоком теплоносителя, является актуальной задачей.

Цель работы. Проведение расчетно-экспериментального исследования влияния вибромеханических и теплогидравлических параметров на величину виброизноса и создание методики оценки виброизноса теплообмешшх труб.

Научную новизну составляв:

- расчегно-экспериментальное исследование теплогидравли-ческих условий в узле контакта "теплообменна труба - дистанцио--ниругацая решетка", омываемого потоком теплоносителя;

- методика оценки величины виброизноса теплообменник труб и ее апробация модельными ресурсными испытагаш.зд;

- рекомендации по выбору конструкции ячейки дистанциони-рущэй решоткн, обеспечивающей минимальный уровень виброизноса.

Практическая ценность. Предлагаемая в работе методика расчета виброизноса дает возможность оценить величину износа за полный срок службы теплообменного оборудования. В случае применения новых конструкционных материалов ляя тепяоо^метпткоп, рт -работанная методика позволяет обойтись модельннм экспериментом

не проводя ресурсные испытания. Результаты работы использованы на ПО "Ияорский завод" при модернизации серийного реактора ВВЭР-ЮОО, на Подольском машшостроительном заводе при проектировании вертикального парогенератора ПГВ-1800, в Межотраслевой программе "Еидроупругость-90" по теме A XI-248 при разработке методики расчета вибронадежности пучков судовых теплообменников.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на:

1. XI-ой конференции молодых ученых Института машиноводе-ния им.А.А.Благонравова АН СССР "Актуальные проблемы машиноведения". Москва, I&-I8 марта 1987 г.

2. XI-ой научно-технической конференции молодых специалистов и аспирантов НПО ЩТИ, Ленинград, 24-25 февраля 1988 г.

3. ХП-ой конференции молодых ученых lb ¡статута машшоведо-ния им.А.А.Благонравова "Актуальные проблемы машиноведения", Моек ва, 15-19 января, 1989г.

4. Всесоюзном семинаре "Динамика гидроаэроупругих систем и долговечность конструкций", Воронен, 18-23 сентября 1989 г.

5. П-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Гидроупругость и долговечность конструкций энергетического оборудования" Каунас, 26-23 июня 1990 г.

6. УШ-ой Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах", Ленинград, 23-25 октября 1990 г.

7. Bo-Etic Heat Tta/isfei Conference, ШеЬо^, ¿£'31 Q.a^ustJ39i.

Публикации. Ооиовное содержание работы опубликовано в 4-х статьях и 4-х тезисах докладов на научно-технических конфереляциях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заклинания, списка литературы из 73 наименований. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 3 таблицы.

СОДКРШШЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность выбранной теш, формулируются цели диссертационной работы,

В первой главе проанализирован характер вибрационных повреждений элементов теплообменного оборудования. Установлено, что одной из наиболее вероятных причин отказа трубного пучка является разрушение труб вследствие виброизноса в местах контакта с дистнн-ционирупцими решетками.

В результате анализа публикаций, посвященных изучению виброизноса, показано, что исследование теплогидравлических условий в узла контакта "теплообменная труба - дистаниионирующая решетка" не проводилось, хотя влияние различных сред на уровень виброизноса отмечено в ряде рассматриваемых работ. Проведение исследований в этом направлении позволит; понять механизм виброизноса и прогнозировать износ теплообыешшх труб без проведения ресурсных испытаний ,

Во второй главе предложена в общей постановке задача описания и расчета теплогидравлических условий в узле контакта "теплообменная труба - дистанцишируюцая решетка".

Рассмотрены процессы и основные факторы, определяющие тепло-гидравлические. условия в узле контакта:

- контактный теплообмен и теплофиэические свойства теплоносителя.

Показано, что в качестве критерия, определяющего влияние среды, заполняющей микрозазор между к он тактирующими поверхностями на уровень виброизноса поверхностей мскет служить безразмерный коэффициент теплопроводности С, определяемый как:

с= ~~гТ77г.

где Л и Лг - коэффициенты теплопроводности твердых чел, находящихся и капайте;

Jcp~ теплопроводность среды, заполняющей зазор.

- Форма те пл опщравлической ячейки узла контакта.

Для характеристики условий теплообмена в узле контакта введен теплогкдравлический формпараметр, определяющий гидравлическую затесненность ячейки для потока теплоносителя:

V -

* ~ (2)

где с1з - эквивалентный диаметр, численно равный отношению учетверенного объема гидравлической ячейки между теплообменной труб ей и дистанционируюцим элементом к площади поверхности, омываемой теплоносителем, £ - длина контакта.

Уровень износа теплообменных труб зависит от температуры металла в поверхностном слое и, следовательно, от условий теплообмена и уровня удельного давления в месте контакта о дистанцисиирующей реиеткой. С этих позиций можно предложить принцип выбора оптимальной, с точки зрения износостойкости, конструкции дистанциошфую-щего устройства.

- Возможность возникновения так называемого "микрозфизиса" в узле контакта.

В условиях стесненного пространства, которое имеет место в узле контакта "теплообменная труба - дастанцишируядая решетка" сравнительно небольших тепловвделений достаточно для возникновения локального кризиса теплообмена, что приводит к изменению теплогидравлических условий в этой области и способствует перегреву материала контактирующих поверхностей. Это, в свою очередь, повышает уровень виброизноса. Для определения границ запаривания на поверхности теплообменной труби в зоне контакте численно решена задача теплообмена.

В третьей главе изложены результаты экспериментального исследования виброизноса теплообменных труб.

Приводится описание методик проведения опытов и трех экспе-

-

рименталышх установок: лабораторной, установки для исследования виброизноса при натурных параметрах й стенда для проведения ресурсных испытаний на натурных параметрах.

На лабсратфной экспериментальной установке проводились опыты по определению влияния вибромеханических (усилия прижатия, частоты и амплитуды вибраций), технологических (сочетания различных материалов пары трения) и теплогидравлических (формы узла контакта, вида теплоносителя) параметров па уровень виброизиоса. На этой же модели были щюведены эксперименты по определении температурных полей в образцах теплообменных груб при вибрациях в контакте с листаниионируюцими пластинами в различных средах.

На установке для исследования виброизноса при натурных параметрах изучалось влияние натурных параметров теплоносителя на уровень виброизноса для различных форм узла контакта. Исследования проводились при следующих параметрах теплоносителя: Р = 6,5 -7 МПа, t = 280-285°С, 0,6-0,8 м/с, ос = 0,05-0,2.

Экспериментальная установка для доведения ресурсных испытаний на натурных параметрах использовалась для исследования виброизноса циркониевых оболочек ТВЭЛ, находящихся в контакте со штатными дистанционируицими элементами сотового типа для тепловыделяющей сборки (TBC) ВВЭР-ЮОО в реакторной воде при натурных параметрах. Исследования проводились в режиме естественной циркуляции теплоносителя с параметрами Р^'4,5 МПа, We& 0,5 м/с,

X = 0,05-0,2, в течение 7237 часов. Парамэтрн вибраций выбирались на основе предварительных, вибрационных испытаний пучка ТВЭЛ и обеспечивались с помощью виброприводов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования в виде зависимостей:

- убыли массы от тешгогидравлического формпараметра К для различных сред (рисЛ). Вид полученных зависимостей указывает на то, что механизмы виброивноса различны при обтекании узла контак-

/г/ 5'IQ3

Ю*

Q,SC

ZZjJ

0.25

цзо

/г

Pao. I Оаввояиоовь убыли масон от гвпюгидралличаского

формпарамэтрч ( F« ~ ад, f = 25 Гц, Л = ТБО/ТО^м, ' Р « С,I МПа )

I - владннЯ пар, 2 - сухой Еогдух, 3 - пароводяная одась, 4 - яргон, 5 - холодная вода.

та газами и жидкостями;

- убыли шссы в различных средах от безразмерного коэффициента теплопроводности С (рис. 2). Этот результат подтверждает правильность выбора-в качестве критерия, определяющего влияние среда на уровень виброизноса, безразмерного коэффициента теплопроводности.

Очеввдно, что оценки величины износа, полученные разными авторами в среде воздуха, нельзя использовать для прогнозирования износа в пароводяной смеси. По этой причине были проведены модельные испытания по определению влияния вибромеханических параметров на величину износа в пароводяной среде, которые позволили получить эмпирическую зависимость уровня виброизноса от работы сил трения в контакте за цикл:

Лтр* гД-JllF» t3;

где йтр - работа сил трения за цикл,

Я - амплитуда вибраций в заделке, Jit -коэффициент трения, Fh - нормальная контактная сила. Полученная зависимость представлена на рис.3. Результаты численного решении задачи теплообмена в узле контакта и дашше экспериментальных исследований позволшш получить важный качественный результат. В узле контакта "теплообменная труба - дистакционирую-щая решетка* тепловыделения от трения при вибрациях достаточно для возникновения микрозоны запаривания в пароводяной среде. Граница-зоны затаривания определена экспериментально (на исследованных образцах этой зоне соответствует ореол цветов побежалости) , при ошвании холодав водсй к паром такие зоны отсутствуют (на образцах цветов побежалости ие обнаружено). Эти факты подтверждают предположение о то:л, что наличие пврового пятна в зоне контакта, при смывании двухфазной смесью, способствует местного

- ю-

Гао. 2 Зависимость износа от безразмерного коэффициента гаплопроволчовтя I р в 0,1 яПа )

• - аргов, о- влтяныЯ тр, е - воздух, гтроводтт см*оь, о - хадодняя водя.

- гг-

разотреву материала трубы в этой области, что повышает уровень износа по сравнению с величиной износа в холодней воде в сопоставимых условиях. Отмечен высокий уровень повреждений во влажном царе, который обусловлен, в основном, влиянием следующего механизма: продукты износа хромистых сталей (твердые окислы хрома) не вымываются из зоны контакта, а циркулируют там, действуя как абразив.

На основании данных,приведенных на рис.4, можно заключить, что с повышением температуры теплоносителя растет влияние тепло-гидравлических условий в зоне контакта. С ростом абсолютной температуры двухфазного теплоносителя создаются условия для возникновения сухого пятна и влияние формы контакта заметно увеличивается, вследствие ухудшения условий для транспорта пара из микрозазора.

В пятой главе изложен метод расчета величины виброизноса теплообменных труб.

На основании анализа экспериментальных данных получена эмпирическая зависимость для расчета величины виброизноса труб теплообменников в виде:

З^ИмЯсрЯк. Иср-^-Дтр (4)

МП „

где - убыль массы за цикл;, лтр - работа сил трения за

цикл при тангенциальном движении трубы относительно дистанциони-

рующеЯ решетки в пароводяной смеси при ? = 100°С, Р = 0,1 МПа

для пары трения сталь марки 03Х1Ш10Т - сталь марки 08Х18Н10Т

и узла контакта "теплообменная труба - плоская дпетанцпешфуюздая

решетка", В =5-10 с^/ь? - тештабный коэффициент, подученный

в результате статистической обработки результатов;

коэфрнцирчт, учитывающий траекторию движения труби в решетке с .зазором;

лш.

А, тр.

{

О

о, га Qas о,зо /г=£з.

Гчо. i ЗгЕЯОЯ'Лпеят относя т<ш.яо Л яптепсявнаом изяосч

от «гиогйлрмпя'т^пго V)t>4mp^«5tpi уэпа трония

t - t* 20°

Z - t =! 100° (i,

з - t - гоо° с

\ /

-

-

- коэффициент, учитывающий влияние механических свойств rnp материалов в контакте;

- коэффициент, учитывающий влияние формы поверхности диотап-ционгоующей решетки в месте контакта с теплообменной трубой;

•¿к - коэффициент, учитывающий число точек мшфоконтакта тепло-обменной трубы в ячейке дпстанциширувдей решетки;

f^t ~ коэффициент, учитывающий влияние температуры теплоносителя;

itcp- коэффициент, учитывающий влияние теплофизических свойств теплоносителя.

Предлагаемая зависимость для расчета виброизноса труб теплообменников одновременно учитывает как влияние тешгогидравличе-ских особенностей, возникающих в среде теплоносителя, так и виб-ршеханичесюас параметров на уровень виброизноса. Зависимость экспериментально апробирована результатами ресурсных испытаний сборки ТВЭЛ реактора ЕВЭР-1000 (оболочки ТВЭЛ из циркониевого сплава и прутков из стали 08XI8HIOT в контакте со штатными листании онируид ими решетками из стали 08XI8HICT в течение 7237 часов, что соответствует ресурсу работы TBC ЕВЭР-1000.

На рис.5 представлено сравнение расчетной зависимости с экспериментальными значениями убыли массы образцов, вследствие виброизноса, полученными в модельных экспериментах и при ресурсных испытаниях. Предлагаемая зависимость (4) замыкает методику расчета вибр(надежности ТВЭЛ в TBC и теплообменных труб в рекуперативных-. теплообменных аппаратах коиухогрубного типа. На основании этой методики разработана программа " VIßRO" для ПЭВМ.

Разработаны рекомендации по повышению вибрснадежности элементов внутрикорпусннх устройств (ВКУ) для проектирования новых конструкций и цри модернизации действующих теплообменных аппаратов АЭС:

- Важным фактором повышения надежности является травильный

- /&-

Рис. 5 Завяоямооть убыли мэдсн ст работа оял тронил.

е - средние значения убыли мзссн за п модельном эксперименте, о, о - экспориментэнышв зпачэния у<3иля мюои за цикл прутка из стали 08XI8HI0T я оболочки ТВЭЛ чз циркопипвого сллшэа, получчьннэ прч ресурсных испытаниях, ооответотвячпо.

- /е-

выбор конструкции дистанционирования ТВЭЛ или труб. Дистанцио-нирувдие устройства должны обеспечивать достаточный уровень отвода тепла из зоны контакта и, одновременно, промывку ячейки контакта. При этсм необходимо обеспечить приемлемый уровень контактных давлений. Этим 1ребованиям в целом удовлетворяют дисталшони-рущие ячейки "сотового" типа о большим значением теплогидравличе-ского фсрмпараметра.

- При выборе материалов для теплообменшх труб и дистанцио-пирувдих решеток необходимо провести оценку возмоги!ости их совместного применения, с точки зрения их износостойкости, на основании имеющихся опытных данных или при их отсутствии - экспериментальных исследований.

- При проектировании теплообмекного оборудования с поверхностью теплообмена в виде пучков труб рекомендуется избегать локализованных участков внутрикорпусиого пространства с повышенными скоростями теплоносителя. Эта рекомендация может быть реализована путем использования различных этапов, отбойных листов, раздающих коробов и аналогичных элементов.

- Для прогнозирования ресурса работа ТВЭЛ в TBC или тепло-обменных труб возможно использовать методику расчета, излаженную в диссертации или программу " Vi ß R О ".

3AKJ11ÜUHME

I. Проведено экспериментально-расчетное исследование виброизноса тешюобменкых труб и ТВЭЛ, возникающего вследствие вибраций, вызывавшие гидродинамическим воздействием потока теплсносителя. Процесс износа исследовался в местах контакта трубы с дистанцио-нируицими решетками с четырьмя типами поверхностей; плоской, про-дольно-вопгутой, с предодьновыпуклим и пооеречновнпуклнм цилиндр» ческими рейрплт.

Экспериментальные исследования проводились на трех стендах:

- лабораторией установке для трех пар контактирующих материалов: сталь 08XI8HIOT - сталь 08XI8HI0T, сталь 08ХШТОТ - цир-ксипевый сПлав (99$ + 1% Jfö ) и циркониевый сплав - циркониевый сплав в средах кипящей пароводяной смеси, влажного тра, аргона, сухого воздуха и недогретой воды lai«e<j = 80°С) при нормальных условиях;

- пароводяном стенда на образцах тсплообменных труб (16*1,4мм из стали 08X1811 ЮТ) в контакте с фрагментами дистанционирувдих решеток с четырьмя типами форм поверхности при натурных параметрах для парогелератсров АЭС (Р = 6,5-7 MIa; t = 280-285°С);

- пароводяном стенде в среде синтетической реакторной води по ГОСТ 95-96^-82 секции сборки ТВЭЛ реактора ВВЭР-1000 при. параметрах Р.?4,5 МПа, t 7/ 250°С в течение 7237, что соответствует ресурсу работы TBC ВВЭР-1000.

2. В результате исследований установлено, что величина виб-ронзиоса теплообмешшх труб определяется двумя основными факторами величин ей работы сил трения, возникавших при относительном перемещении теплообменней трубы в ячейке дистанцидаирувгцей решетка

и тешюгцдравличе сними условиями в узла контакта "теплообменная труба - дисганционируадая решетка", зависящими от теплофизическюс свойств теплоносителя, обтекаадего узел контакта и форш узла кса-такта.

3. Теплогидравлические условия в узле контакта "теплообменная труба - дистанционирущая решетка" определяются следующими критериями:

- безразмерным коэффициентом теплопроводности, учитывавдим влияние среды теплоносителя на уровень виброизноса и определяемым зависимостью (I);

- теплагяцравлическим формпараметром, характеризующим об те-

какие узла контакта потеком теплоносителя и степень "зате елейности" гидравлической ячейки в месте контакта, определяемым зависимостью (2);

- температурой теплоносителя.

4. Обнаружено, что при перемещении теплообменной трубы в ячейке дастанциснирумцей решетки тепла от трения мЬяет оказаться достаточно для возникновения мнкрскриэисов в местах контакта в пароводяной среде, что способствует разогреву поверхностных мшфо-слоев материала теплообмен»ей трубы и, как следствие, повышению уровня износа.

5. Получена эмпирическая зависимость для расчета виброизноса груб теплообменников, качество вода которых соответствует

ОСТ 95-962-82 и ТУ 108-952-80 (зависимость 4), учитывающая влиянв факторов, перёчисленных в п.З, на уровень износа.

Предложенная эмпирическая зависимость для расчета виброизноса теплообмекных труб экспериментально апробирована результатами натурных ресурсных иопытаннй сборки ТВЭ1 реактора ВВЭР-ЮОО в течение 7237 часов, что соответствует ресурсу работы TBC, при параметрах теплоносителя: Р^-4,5 МПа, t7/ 250°С, состав по ГОСТ 954)62-82.

Б. Зависимость 4 использована как замыкащая при доработке методики расчета вибршадедности ТВЭЛ в TBC и теплообменнкх труб в рекуперативных теплообмешшх аппаратах кожухотрубного типа. На базе методики расчета разработана программа "VIBRO" для ПЗЭМ.

7. Паны рекомендации по повышению вибронадежности элементов ВКУ пги разработке новых конструкций и модернизация теплообмекнъ м™р.'1Т1"'П ЛЭЯ и ТЭС.

OcHciBHOP соаер.юкие диссертации опубликовано в следующих

рГ'бПГРЛ t

Г. Гсмьдберг КЛ1., Чурбэноеа Я.М. Экспериментальное иссле-

- Уе-

давшие фреттинг-износа иарогенерирующих груб в пароводяном потоке. Энергомашиностроение, 1989, № 9.

2. Гольдберг E.H., Чурбанова Л.М. Анализ механизмов вибрационных повреждений теплообменных труб. Д.: Труда ЦКТИ, 1989,

№ 248, с.56-62.

3. Лучин Г.А., Гольдберг E.H., Чурбанова Л.М., Александров Б.А. Экспериментальное исследование фреттипг-износа парогенерпрующих труб в различных средах. Л.: Труда ЦКТИ, 1989, й 251, с.116-120.

4. Гольдберг E.H., Лучин Г .А*., Чурбанова Л.М., АлександровВ.А., Шубина Т.К. Новый подход к анализу виброизноса теплообменных

труб. Тез.докладов II Всесоюзной научно-технической конференции "Гидроуцругость и долговечность конструкций энергетического оборудования", Каунас, 1990, с.106.

5. Гольдберг E.H., Лучт Г .А., Чурбанова Л.М., Александров В.А., Шубина Т.К. Особенности теплообмена при виброизносе теплообменных труб в двухфазном потоке. Тез.докладоз Восьмой Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах

и аппаратах", Ленинград, 1990, т.Ш, с. 145.

6. &o£dßei<} Е. h/. , CPiuißcinDira, L.M., dfaandioir V. ft. PecwIUa'dttei cjj- contact Real ысАалцг diwnfr the. fatting lotoJt ^ Un, tulu Ln a ttw-phüAi jfiour. aßotzcwt ¡rcLvmz j- /-it BqMlc facd ttandjr^ conjjVitnct , ¿6 -28 tl / Outfit, /39/, G-otdotß.

iJüTüiii'i;iiT. подписано к'йечЛо .I^.yi. Формат о,уи."ьГШГГ"!/!" Ооъем 0,8 уч.-йзл. л. Тярэк 100 экз. Зэквз /ого Неоплатно

НПО ЦКТИ, 194021, С.-Петербург, Полите.хличооквя ул,,д.2<'(