Исследование живучести трубопроводов в условиях стационарных вибровозмущений

УДК 621.311.22.019.3.001.18

ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИВУЧЕСТИ ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНЫХ ВИБРОВОЗМУЩЕНИЙ

КОЛОБОВ А.Б., МАСЛОВ Л.Б., ОГУРЦОВ Ф.Б., ШАПИН В.И., кандидаты техн. наук, БЕЛОВ И.А., асп.

Рассматриваются вопросы расчета напряженно-деформированного состояния трубопроводов по результатам конечно-элементного моделирования и вибромониторинга для решения прикладных задач вычислительной и экспериментальной вибротехники в энергетике.

Существующие в настоящее время методы оценки надежности трубопроводов построены без достаточного учета их колебательных процессов [1,2]. Однако вибрационные нагрузки могут оказаться весьма существенным фактором исчерпания живучести трубопроводов, эксплуатируемых с невыяв-ленными трещинами [3].

Особенно опасными могут быть непроектные ситуации, когда возникают резонансные или близкие к резонансным пространственные изгибно-крутильные колебания трубопровода. Основным источником вибрации является спектр колебаний теплоносителя при движении по трассам упругих трубопроводов с природоимпульсной причиной вибровоздействия параметрического или автоколебательного характера.

В качестве сопутствующего фактора выступают элементы опорно-подвесной системы, как способствующие при определенных условиях потере виброустойчивости конструкции в целом.

Существует и другая сторона проблемы. Метрологический аспект таких виброобследований

определен тем, что применяемая виброаппаратура в области частот ниже 5 Гц дает недостоверные результаты. Проблема заключается в отсутствии надежных средств измерения вибрации в области инфранизких частот, которая прогнозируется как зона наиболее опасных возможных резонансных состояний трубопроводов.

В качестве примера решения задачи идентификации комбинированного напряженно-деформированного состояния рассматривается пространственная стержневая конечно-элементная модель трубопровода основного конденсата блока ВВЭР-440 Кольской АЭС (рис.1).

Предварительно выполнялся расчет резонансных частот и форм колебаний трубопровода.

В качестве конечного элемента используется стандартный 2-узловой элемент, имеющий шесть степеней свободы в узле (три компоненты вектора перемещений и три угла поворота), работающий на растяжение-сжатие, изгиб в двух плоскостях и кручение (рис.2).

K1TPS. Condensation Pipe Line. Obnect2

Рис.1. Конечно-элементная модель трубопровода основного конденсата

Рис.2. Схема используемого в решении стержневого конечного элемента

Интерполяционные соотношения, задающие изменение компонент перемещений точек стержня и, V, № вдоль оси стержня, имеют вид [4]:

u = 2

v=i I,I i 1 - f (3 - ^)+,J i 1+2

(3 - W

+L

8

* = 2( *i ( 1 - 2 (3 - s2 )) + Wj I 1 + s(3 -

2 V v 2 ) I 2

L

e x = ^

где I - длина элемента, б - локальная координата вдоль оси стержня, и/, V/ , №/ и UJ , VJ , WJ - линейные перемещения узлов конечного элемента в локальной системе координат (х, у, г), жестко связанной с элементом, вх/, ву/, вг/ и вх^, ву^,

- угловые перемещения узлов конечного элемента в локальной системе координат.

Линейные размеры трубопровода и характеристики сечений соответствовали проектным значениям.

Параметры материала труб (сталь марки 20, МРТУ 14-4-21-67) принимались следующими: модуль упругости - 2,01011 Па; коэффициент Пуассона - 0,3; плотность - 7800 кг/ м3.

Конечно-элементная модель трубопровода геометрически разделялась на две основные секции: от конденсатных электронасосов (КЭН) до эжекторов - первая, от эжекторов до ПНД-1 (подогреватель низкого давления) - вторая секция. Мо-

дель учитывала наличие криволинеиных элементов, задвижек и переходов между трубами различных диаметров согласно стандарту МВН и характеристикам соответствующих конструкционных элементов. Учитывалось наличие конденсата в трубе с плотностью 1000 кг/м3, а также следующие виды опор:

• пружинные опоры с двумя тягами и известными жесткостями;

• жесткие опоры, фиксирующие все степени свободы в соответствующем узле и моделирующие границы регистрации трубопровода;

• жесткие опоры, фиксирующие четыре степени свободы в соответствующем узле (поперечные перемещения и углы поворота в плоскостях, проходящих через продольную ось трубы) и моделирующие скользящие опоры;

• жесткие подвески, запрещающие перемещения в вертикальном направлении и вращение труб вокруг собственных осеи.

Разработка модели и расчет собственных колебании трубопровода был выполнен в системе конечно-элементного анализа ANSYS, ANSYS Inc. [5].

В результате расчета определены 20 низших значении собственных частот колебании трубопровода основного конденсата блока ВВЭР-440 Кольской АЭС и соответствующие формы колебаний, перекрывающие частотный диапазон до 20 Гц.

На рис. 3, 4 приведены схемы возможных форм колебаний.

Анализ собственных частот и форм колебаний трубопровода основного конденсата показал наличие достаточно плотного спектра в двух низкочастотных подобластях. С точки зрения диагностики наиболее опасных участков трубопровода представляет интерес лишь ограниченное число частот и форм колебаний трубы Ьу400, ведущей к конден-сатным насосам, и трубы йу300, ведущей к эжекторам. Отдельного рассмотрения в процессе вибромониторинга требуют вибрации трубы Ьу250, находящейся под разряжением конденсата.

Геометрический анализ собственных форм колебаний позволяет спрогнозировать характерные участки трубопроводов с максимальными виброперемещениями в резонансном состоянии для проведения натурного вибромониторинга.

В рамках постановки задачи рассматривается проблема создания виброизмерительных средств в инфранизкочастотной области, поскольку обозначенные частоты собственных колебаний объектов исследования сориентированы на диапазон от 0,5 до 20 Гц в порядке возрастания собственных форм.

Как показал предварительный анализ, для корректного исследования возможных первых форм колебаний необходимо получить информацию о траектории движении трех-шести точек по всем возможным степеням свободы. Автоматизированная система должна позволять синхронное измерение виброперемещений при использовании многокоординатных датчиков абсолютной вибрации. В соответствии с изложенными требованиями для мониторинга трубопроводов был разработан и изготовлен комплекс «Циклон» (ИГЭУ), функциональная схема которого представлена на рис.5.

Рис.3. Форма 1, частота 5.2948 Гц Рис.4. Форма 2, частота 6.5258 Гц

Д Ус Ин Ин

Д Ус Ин Ин

ОЗУ

L >

- > Ак

г

АЦП

МК

Д Ус Ин Ин

ь КПсИ

БП

ЭВМ

Рис.5. Функциональная схема автоматизированного измерительного комплекса

Технически комплекс реализован в двух уровнях и включает в себя автономный блок первичного сбора информации на базе микроконтроллера и управляющей персональной ЭВМ типа Notebook, выполняющей функции обработки и хранения результатов измерения. Связь между автономным блоком и ЭВМ осуществляется с помощью последовательного интерфейса RS-232 по трехпроводному кабелю длиной до 15 м.

Комплекс работает следующим образом. Датчики Д, реализованные на базе инфранизкочастот-ных тензорезисторных акселерометров, устанавливаются с помощью магнитных насадок в исследуемых точках трубопровода. Сигналы с датчиков поступают на блоки предварительной обработки сигнала, включающие в себя предварительный усилитель (Ус) и два аналоговых интегратора. Сигнал на выходе интеграторов пропорционален виброперемещению в исследуемой точке. Коррекция фазовых погрешностей интеграторов в инфранизкочастотной области осуществляется программно. Всего в системе предусмотрена возможность использования до 32 каналов измерения по одной координате, что позволяет оперативно менять схемы измерений и варьировать числом измеряемых координат в одной

точке за счет установки датчиков на различные приспособления.

Сигналы с блоков предварительной обработки поступают на вход 32-канального аналогового коммутатора (АК) и далее на аналоговоцифровой преобразователь (АЦП). Направляющий микроконтроллер МК осуществляет пересылку дискретизиро-ванного сигнала в оперативную память (ОЗУ), а также обмен данными через контроллер последовательного интерфейса (КпсИ) с ЭВМ верхнего уровня. Блок питания (БП) включает в себя аккумуляторную батарею, автономный инвертор, выпрямители и стабилизаторы.

Программное обеспечение ЭВМ и микроконтроллера позволяет устанавливать конфигурацию измерительной системы (количество и порядок опроса датчиков вибрации), частоту дискретизации сигналов и количество точек дискретизации (размер выборки).

Объем оперативной памяти позволяет сохранять 4096 дискретных отсчетов при 32 измерительных каналах, что соответствует времени наблюдения колебательных процессов порядка 10 с при частоте дискретизации 400 Гц и разрешающей способности при спектральном анализе сигнала 0,1 Гц.

При определении напряженно-деформированного состояния трубопровода в качестве источников вибрации трубопровода принимались колебания конденсатных электронасосов с частотой и амплитудой, полученными в результате виброобследования. В расчете напряженно-деформированного состояния учитывалась только первая наиболее энергоемкая основная гармоника, поскольку амплитуды перемещений на высших гармониках на порядок меньше.

Вибрационное обследование трубопровода основного конденсата проводилось с использованием комплекта разработанной измерительной аппаратуры и заключалось в измерении параметров вибрации в двух или трех ортогональных направлениях в пролетах и на опорах.

На рис.6,7 приведены примеры опытной осциллограммы и спектра амплитудно-частотного распределения на впуске конденсатного электронасоса (КЭН).

Приведенные осциллограмма и спектрограмма показаны в масштабе частоты 4000 единиц = 915 Гц и в масштабе виброскорости: 130 единиц = 6 мм/с.

Для всех полученных осциллограмм характерно наличие в области 655 единиц 150 герцовой вибрации, отвечающей лопаточной частоте, равно как и оборотной в области 82-123 единиц с последующими спектральными переходами в зависимости от изменения положения трубопровода и локальных систем отсчета, по отношению к глобальной системе: х, у,г рис.1.

М=Щ0мс р=-61

Рис.6. Виброскорость на впуске конденсатного насоса КЭН

Р=6

Рис.7. Амплитудный спектр виброскорости на впуске конденсатного насоса КЭН

В результате расчета определены напряжения и перемещения в конечно-элементной модели. Распределение эквивалентных, по Мизесу, динамических напряжений [6,7] представлено на рис. 8. Максимальное напряжение определено в 32 МПа.

Распределение перемещений приведено на рис. 9. Аналогично определены напряжения при статическом нагружении трубопровода под действием собственного веса конструкции и теплоносителя.

Рис 8. Вынужденные колебания. Эквивалентные напряжения.

ноты, зстлан

ЗТЕР=1

зив =1

ГКЕ(2=30 .11

К3¥3=0 ПЕ =.001327 ЗИЛ =.001227

.¡Э7Е-03 .534Е-03 ,!31Е-вЗ .«01183

14ЭЕ-02 .446Е-03 .743Е-03 .00104 .001337

КНРЗ. Сопаегьг^ 1 огь Р1ре I. .

Рис У. Вынужденные колебания. Суммарные перемещения.

Полученные результаты определяют следующие рекомендации по организации периодического вибромониторинга:

1. Плановое периодическое (с интервалом 11,5 месяца) измерение абсолютных и разностных среднеквадратичных значений (СКЗ) виброперемещений и виброскорости персоналом турбинного отделения при соблюдении постоянства режимных параметров работы. При этом подготовка контрольных точек, их маркировка и правила измерения вибропараметров должны проводиться в соответствии с инструкцией по эксплуатации разработанного инфранизкочастотного виброметра У0-200МТ комплекса «Циклон».

2. Ведение журнала учета результатов измерений в представленных контрольных точках в рекомендуемых направлениях измерений и построение трендов изменения измеренных параметров от времени контроля.

3. Критерием предельной вибрации трубопровода считать:

- резкое одновременное изменение измеряемых параметров СКЗ виброперемещения и виброскорости по сравнению с предыдущим измерением более чем в 2 раза при постоянстве режимных рабочих параметров и отличии температуры окружающего воздуха не более чем на +5оС;

- превышение измеренных значений СКЗ вибропараметров над предельными значениями в большинстве контрольных точек участков трубопровода одновременно по всем направлениям контроля.

В указанных случаях необходимо принимать меры по снижению вибрации путем определения причины повышения виброактивности системы и

использования пассивных или следящих активных систем виброзащиты.

Таким образом, используя конечно-элементную модель и результаты натурного вибромониторинга трубопровода основного конденсата блока ВВЭР-440 АЭС с использованием разработанной автоматической многоканальной виброизмерительной аппаратуры «Циклон», включающей виброприемники инфранизкочастотного спектра, получены распределения напряжений и перемещений от собственного веса и вибровоздействия. Предложены рекомендации по организации периодического вибромониторинга с указанием предельных СКЗ вибропараметров в контрольных точках замера.

Список литературы

1. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок: Утв. Госатомэнергонадзор СССР. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 525 с.

2. РД ЭО-0185-00. Методика оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопроводов энергоблоков АЭС. - М., 1999. - 62 с.

3. Живучесть паропроводов стареющих тепловых электростанций / Ю.Л. Израилев, А.Я. Копсов, Ф.А. Хромченко и др. - М.: Изд. Торус пресс, 2002. -616 с.

4. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. - М.: Мир, 1975. - 541с.

5. ANSYS Basic Analysis Procedures Guide.

1998.

6. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. - М.: Высш. шк., 1975. - 476 с.

7. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. - М.: Высш. шк., 1968. -512 с.