Помощь студентам в учебе
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ И СЕЙСМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС с РЕАКТОРОМ ВВЭР
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1 Влияние вибраций в трубопроводах энергетических объектов на
стойкость, ресурс и надежность эксплуатации АЭС 12
1.2 Теоретические аспекты вибрационного воздействия на оборудование в
энергетических установках 14
1.3 Характеристические параметры для колебательного состояния
трубопровода 17
1.4 Управление характеристиками возбуждающих сил (свободные
колебания и собственная частота) 18
1.5 Резонансные характеристики трубопровода и оборудований АЭС
(Вынужденные колебания) 20
1.6 Колебания труб, обтекаемых двухфазным потоком 23
1.7 Пристеночные пульсации давления при двухфазных потоках 25
1.8 Механизмы возникновения вибрации сейсмических нагрузок 27
1.9 Постановка задач исследования 30
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ 31
2.1 Методы исследования колебаний на экспериментальной установке 31
2.2 Способы снижения колебаний трубопроводов при пульсирующих
характеристиках потока теплоносителя 37
2.3 Методы и типы устройств для снижения вибраций в трубопроводах
энергетических систем 38
2.3.1 Внешние методы снижения вибрации трубопроводов 38
2.3.2 Внутренние методы снижения вибрации трубопроводов 40
2.4 Экспериментальный вибродиагностический стенд для исследований
эффективности разрабатываемых устройств 42
2.5 Экспериментальная установка с лазерным «ножом» для визуализации
и исследований изменений параметров течения потока после прохождения вставок-завихрителей 48
2.6 Экспериментальная установка для исследований поведения перегретой
жидкости при низкочастотном ударном воздействии (в большом объеме и узком канале) 51
2.7 Методика проведения исследований и определение погрешностей при
измерении температур 55
2.8 Анализ погрешностей при определении показателей эффективности завихрителей (снижение виброускорений, виброскорости и виброперемещений трубопроводов) 56
ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЙ ПРОГНОЗ УРОВНЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ
ОПАСНОСТИ В РЕСПУБЛИКЕ БАНГЛАДЕШ 60
3.1 Сейсмическая ситуация в регионе Республики Бангладеш 60
3.2 Анализ сейсмической ситуации в районе строящейся АЭС "Руппур"
(Республика Бангладеш) 61
3.3 Методика оценки сейсмического воздействия на объект 64
3.4 Исторические данные и результаты прогнозного расчета
потенциальных уровней землетрясений 66
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ГИДРОДИНАМИКИ И ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ 2-Х ФАЗНОМ (СНАРЯДНОМ) ТЕЧЕНИИ 72
4.1 Анализ параметров виброхарактеристик трубопровода при
использовании завихрителей эвольвентного типа 72
4.2 Расчет гидравлического сопротивления завихрителей 75
4.3 Результаты исследований эффективности пассивных завихрителей 77
4.4 Исследование вставок-завихрителей на экспериментальных стендах 78
4.5 Анализ собственных частот трубопроводных участков с помощью
программы «Удар», встроенной в виброанализатор СД-12М 83
4.6 Расчет частот собственных колебаний на различных участках
трубопровода 85
4.7 РХУ-Метод лазерной велосимметрии для определения эффективности
закрутки потока различными типами завихрителей 95
4.8 Возможности программного обеспечения для исследований с
использованием РХУ-метода 97
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ ВСКИПАНИЯ ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ В ОБЪЕМЕ И УЗКОМ КАНАЛЕ 101
5.1 Вводный обзор процесса перегрева и кавитации 101
5.2 Результаты экспериментов с перегретой жидкостью в объеме 104
5.3 Исследование вскипания перегретой жидкости в узком канале 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ВОДО¬
ВОЗДУШНОГО ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКОГО СТЕНДА 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ГЛАДКОЙ ТРУБЫ И ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЗАВИХРИТЕЛЕЙ 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ СКЗ ДЛЯ ГЛАДКОЙ
ТРУБЫ И ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЗАВИХРИТЕЛЕЙ 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ПАССИВНОГО
УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 148
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1 Влияние вибраций в трубопроводах энергетических объектов на
стойкость, ресурс и надежность эксплуатации АЭС 12
1.2 Теоретические аспекты вибрационного воздействия на оборудование в
энергетических установках 14
1.3 Характеристические параметры для колебательного состояния
трубопровода 17
1.4 Управление характеристиками возбуждающих сил (свободные
колебания и собственная частота) 18
1.5 Резонансные характеристики трубопровода и оборудований АЭС
(Вынужденные колебания) 20
1.6 Колебания труб, обтекаемых двухфазным потоком 23
1.7 Пристеночные пульсации давления при двухфазных потоках 25
1.8 Механизмы возникновения вибрации сейсмических нагрузок 27
1.9 Постановка задач исследования 30
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ 31
2.1 Методы исследования колебаний на экспериментальной установке 31
2.2 Способы снижения колебаний трубопроводов при пульсирующих
характеристиках потока теплоносителя 37
2.3 Методы и типы устройств для снижения вибраций в трубопроводах
энергетических систем 38
2.3.1 Внешние методы снижения вибрации трубопроводов 38
2.3.2 Внутренние методы снижения вибрации трубопроводов 40
2.4 Экспериментальный вибродиагностический стенд для исследований
эффективности разрабатываемых устройств 42
2.5 Экспериментальная установка с лазерным «ножом» для визуализации
и исследований изменений параметров течения потока после прохождения вставок-завихрителей 48
2.6 Экспериментальная установка для исследований поведения перегретой
жидкости при низкочастотном ударном воздействии (в большом объеме и узком канале) 51
2.7 Методика проведения исследований и определение погрешностей при
измерении температур 55
2.8 Анализ погрешностей при определении показателей эффективности завихрителей (снижение виброускорений, виброскорости и виброперемещений трубопроводов) 56
ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЙ ПРОГНОЗ УРОВНЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ
ОПАСНОСТИ В РЕСПУБЛИКЕ БАНГЛАДЕШ 60
3.1 Сейсмическая ситуация в регионе Республики Бангладеш 60
3.2 Анализ сейсмической ситуации в районе строящейся АЭС "Руппур"
(Республика Бангладеш) 61
3.3 Методика оценки сейсмического воздействия на объект 64
3.4 Исторические данные и результаты прогнозного расчета
потенциальных уровней землетрясений 66
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ГИДРОДИНАМИКИ И ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ 2-Х ФАЗНОМ (СНАРЯДНОМ) ТЕЧЕНИИ 72
4.1 Анализ параметров виброхарактеристик трубопровода при
использовании завихрителей эвольвентного типа 72
4.2 Расчет гидравлического сопротивления завихрителей 75
4.3 Результаты исследований эффективности пассивных завихрителей 77
4.4 Исследование вставок-завихрителей на экспериментальных стендах 78
4.5 Анализ собственных частот трубопроводных участков с помощью
программы «Удар», встроенной в виброанализатор СД-12М 83
4.6 Расчет частот собственных колебаний на различных участках
трубопровода 85
4.7 РХУ-Метод лазерной велосимметрии для определения эффективности
закрутки потока различными типами завихрителей 95
4.8 Возможности программного обеспечения для исследований с
использованием РХУ-метода 97
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ ВСКИПАНИЯ ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ В ОБЪЕМЕ И УЗКОМ КАНАЛЕ 101
5.1 Вводный обзор процесса перегрева и кавитации 101
5.2 Результаты экспериментов с перегретой жидкостью в объеме 104
5.3 Исследование вскипания перегретой жидкости в узком канале 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ВОДО¬
ВОЗДУШНОГО ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКОГО СТЕНДА 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ГЛАДКОЙ ТРУБЫ И ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЗАВИХРИТЕЛЕЙ 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ СКЗ ДЛЯ ГЛАДКОЙ
ТРУБЫ И ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЗАВИХРИТЕЛЕЙ 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ПАССИВНОГО
УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 148
Актуальность работы. Между Россией и республикой Бангладеш заключён договор о сооружении на территории республики атомной электростанции с реакторами типа ВВЭР. Так как республика Бангладеш находится в сейсмически активной зоне, была поставлена задача выполнить анализ влияния сейсмических воздействий на процессы вибрации и другие теплофизические процессы с точки зрения обеспечения безопасности атомной электростанции. Работа состоит из нескольких разделов:
Первый раздел - это анализ сейсмической ситуации в республике Бангладеш и влияние сейсмических колебаний грунта на площадку будущей атомной электростанции.
Второй раздел - это анализ вибрационных характеристик, вызываемых или стимулируемых теплофизическими и гидродинамическими процессами, протекающими в оборудовании АЭС при нормальной эксплуатации и стойкости к изменениям при сейсмическом воздействии.
Третий раздел - влияние сейсмических воздействий на процессы, протекающие в первом контуре ядерной энергетической установки в случае возникновения сейсмических колебаний, влияния на поведение теплоносителя первого контура.
Одной из важнейших задач при эксплуатации объектов атомной энергетики является обеспечение безопасности и высокой надёжности АЭС.
Республика Бангладеш (РБ) реализует на своей территории проект строительства двух блоков атомной электростанции мощностью 2,4 ГВт, которые будут введены в эксплуатацию в 2023 и 2024 годах под названием «Атомная электростанция Руппур» (РАЭС). Однако, регион расположения РБ всегда считался сейсмоопасным. Сейсмическое воздействие, характеризующееся низкочастотными колебаниями природного характера, потенциально может привести к разрушительным последствиям для энергоблока и рабочего состояния электростанции, воздействуя на присущие технологическому оборудованию низкочастотные колебания, имеющие техническую причину.
На электростанциях любого типа имеются многочисленные трубопроводы, в том числе с двухфазным течением теплоносителя.
Отличительной чертой двухфазных потоков является неустойчивость течения, вызывающая низкочастотные вибрации, приводящие к разрушению и выходу из строя трубопроводов со всеми вытекающими последствиями. На АЭС и ТЭС вибрация трубопровод с двухфазными вскипающими потоками превратилась в серьёзную проблему, затрудняющую в некоторых случаях эксплуатацию оборудования. Эта проблема затрагивает в основном вспомогательные трубопроводы, какими являются трубопроводы продувки (непрерывной и периодической) «растопочные» трубопроводы, служащие для отвода сконденсировавшегося пара в паропроводах при пуске энергоустановки и трубопроводы отборов пара и конденсатопроводы сепараторов пароперегревателей (С1111) и подогревателей высокого давления (ПВД).
Вибрации, связанные с течением пароводяной смеси, имеют место на паропроводах и трубопроводах РОУ и БРОУ при отсутствии хорошего дренирования конденсата пара. В прикладном аспекте снижение вибрации трубопроводов с двухфазными потоками позволяет повысить надёжность и ресурс трубопроводных систем, снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт, повысить К.П.Д и КИУМ АЭС. Однако, в настоящее время до сих пор отсутствуют надежные и технологичные системы снижения вибрации трубопроводов. 1оэтому повышение надежной и безопасной эксплуатации трубопроводов, испытывающих проточные вибрационные воздействия, а также внедрение устройств для пассивно - управляемого снижения вибраций, является весьма актуальной задачей и имеет важное хозяйственное значение для энергетической и ряда других отраслей.
Степень разработанности темы исследования. Тема исследована в полном объеме для одного диаметра трубопровода, что подразумевает, с учетом теории подобия, дальнейшее распространение алгоритма исследований на любые трубопроводы и режимы двухфазного течения.
Объект исследования. Низкочастотные колебания оборудования АЭС, в том числе вибрации в трубопроводах с двухфазным течением среды на объектах энергетики.
Предмет исследования. Устройства для пассивного управления и снижения вибраций трубопроводов с двухфазным течением теплоносителя.
Цель работы: повышение уровня безопасности АЭС в регионах с высокой сейсмической активностью, разработка эффективных устройств для снижения вибраций трубопроводов с двухфазным течением и повышение вибрационной стойкости тепломеханического оборудования АЭС в сейсмоопасных регионах мира.
Задачи исследования.
1. Исследование сейсмической обстановки, исследование механизмов возникновений вибрации трубопроводов из-за воздействия внутренних механизмов, связанных со структурой течения двухфазных потоков, разработка пассивных устройств для снижения колебаний трубопроводов и анализ влияния сейсмического воздействия на теплоноситель в первом контуре АЭС.
2. Анализ сейсмической обстановки в регионе размещения АЭС «Руппур» с потенциального воздействия на вероятное усиление виброперемещения трубопроводов с двухфазным потоком.
3. Создание экспериментальных стендов:
а) вибродиагностического с аппаратурой СД-12 М
б) лазерного с использованием ИУ-метода
в) установки для исследований вскипания перегретой жидкости
г) установки для исследования кипения жидкости в узких каналах
4. Разработка и исследование эффективности пассивных устройств для снижения низкочастотных колебаний трубопроводов энергетического оборудования.
5. Анализ влияния низкочастотных колебаний на мгновенное вскипание перегретого теплоносителя в узком канале при отсутствии циркуляции (имитация отключения циркуляционных насосов в результате аварии).
Научная новизна. Выполненное исследование позволило получить следующие новые научные результаты:
- экспериментально исследованы закономерности возникновения вибраций после прохождения поворотных участков в трубопроводах при различных режимах течения двухфазных потоков. В частности, показано, что пассивные устройства (завихрители) снижают виброперемещение трубопровода на 25¬40 %, при среднеквадратичном отклонении в ходе экспериментов 15-20%;
- разработаны рекомендации по конструированию устройств пассивного типа для управления гидродинамической структурой двухфазного потока с целью снижения вибраций трубопровода и повышения надежности эксплуатации и ресурса АЭС в сейсмоопасных районах;
- получены новые экспериментальные данные о влиянии низкочастотных колебаний на вскипание теплоносителя в узком канале в отсутствие циркуляции.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке алгоритмов исследования вставок -завихрителей и их испытания при различных режимах течения двухфазных сред.
- практически проведен и представлен анализ сейсмической опасности в районе строительства АЭС Руппур (Республика Бангладеш);
- созданы экспериментальные стенды для формирования различных режимов двухфазных течений и исследования устройств снижения вибраций трубопроводов;
- разработаны устройства- завихрители пассивного типа для управления (снижения) вибрациями в трубопроводах энергетического оборудования;
- разработаны рекомендаций по конструкции устройств пассивного типа для управления гидродинамической структурой двухфазного потока с целью снижения вибраций, возникающих при изменении направления движения теплоносителя в трубопроводе, что позволяет выполнять технологические мероприятия для снижения вибраций трубопроводов на предприятиях различных отраслей промышленности (помимо энергетики - в пищевой и химической).
Использование устройств пассивного типа для управления гидродинамикой потока позволяет снизить амплитуду виброперемещений трубопровода на 25-40%. При этом, как результат, сокращаются расходы на техническое обслуживание и ремонт, повышается ресурс и надежность оборудования, а также безопасность объекта в целом.
Методология и методы исследования.
Экспериментальные исследования осуществлялись методом планируемого эксперимента, а в качестве методик применялись классические методики исследований двухфазных течений, методы анализа частотных спектров и температурных градиентов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- анализ сейсмической опасности при строительстве атомной электростанции на площадке АЭС Руппур (Республика Бангладеш);
- результаты экспериментального изучения вибраций после прохождения поворотных участков трубопровода при различных режимах течения двухфазного потока;
- исследование характеристик течения жидкости в трубопроводах с использованием РХУ-метода (лазерной велосимметрии);
- результаты экспериментов по влиянию устройств пассивного типа на управление гидродинамической структурой в поворотном участке и снижение вибро-перемещения трубопровода.
- результаты исследований вскипания перегретой жидкости в узких каналах.
Степень достоверности результатов исследования подтверждается следующим: полученные в работе научные результаты базируются на классических теориях теплообмена и гидродинамики двухфазных сред; удовлетворительным соответствием результатов расчетов, полученных в ходе исследований, экспериментальным характеристикам, а также известным ранее экспериментальным и теоретическим данным других авторов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на
- Международной конференции по вибрационным технологиям (Лиссабон, Португалия, сентябрь, 2018 г.);
- научной конференции-саммите ассоциации технических вузов России и Китая (АТУРК, Екатеринбург, 2018 г., «Лучшая научная работа молодого ученого»);
- Всероссийской конференции с международным участием «XXXIII Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2017 г.);
- конференции молодых ученых УралЭНИН (Екатеринбург, УрФУ, 2017 г.);
- научной секции Всемирного фестиваля молодежи и студентов «Доступная космическая энергия будущего» (Сочи, Россия, 2017 г.);
- международном конкурсе Российской государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» (видеопредставления молодых ученых 20 стран мира о развитии атомной энергетики в их странах; Диплом 3 степени от ГК «Росатом», Москва, 2017 г);
- конференции молодых ученых, УралЭНИН, (Екатеринбург, УрФУ,2016 г.);
- XVII Школе молодых ученых «Безопасность критических инфраструктур и территорий», (Екатеринбург, УрО РАН, УрФУ, 2016 г., 2018 г.),
- конференции по науке и технологиям для молодых исследователей Уральского энергетического института, (Екатеринбург, УрФУ, 2015 г.).
Личный вклад автора. Автором осуществлены:
- реализация задач по проведению экспериментов;
- проведение экспериментов на вибродиагностическом стенде с различными поворотными участками и вибродиагностическим оборудованием;
- разработка и создание трех экспериментальных стендов:
- стенд для лазерной трассерной велосимметрии (с использованием PIV- метода);
- экспериментальная установка по исследованиям вскипания перегретой жидкости;
- экспериментальный стенд для исследований влияния низкочастотных колебаний на вскипание перегретой жидкости в узком канале.
- обработка результатов экспериментов, разработка и патентная защита новой конструкции устройства пассивного типа для снижения вибраций трубопроводов;
- экспериментальное исследование эффективности различных устройств- завихрителей, выполненное с использованием метода лазерной велосимметрии (PIV-метод).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 5 статей опубликовано в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, включая 4 статьи - в изданиях, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5-ти глав, выводов и библиографии. Работа содержит 156 страниц текста, 47 рисунков,7 таблиц, список литературы из 134 наименований.
Первый раздел - это анализ сейсмической ситуации в республике Бангладеш и влияние сейсмических колебаний грунта на площадку будущей атомной электростанции.
Второй раздел - это анализ вибрационных характеристик, вызываемых или стимулируемых теплофизическими и гидродинамическими процессами, протекающими в оборудовании АЭС при нормальной эксплуатации и стойкости к изменениям при сейсмическом воздействии.
Третий раздел - влияние сейсмических воздействий на процессы, протекающие в первом контуре ядерной энергетической установки в случае возникновения сейсмических колебаний, влияния на поведение теплоносителя первого контура.
Одной из важнейших задач при эксплуатации объектов атомной энергетики является обеспечение безопасности и высокой надёжности АЭС.
Республика Бангладеш (РБ) реализует на своей территории проект строительства двух блоков атомной электростанции мощностью 2,4 ГВт, которые будут введены в эксплуатацию в 2023 и 2024 годах под названием «Атомная электростанция Руппур» (РАЭС). Однако, регион расположения РБ всегда считался сейсмоопасным. Сейсмическое воздействие, характеризующееся низкочастотными колебаниями природного характера, потенциально может привести к разрушительным последствиям для энергоблока и рабочего состояния электростанции, воздействуя на присущие технологическому оборудованию низкочастотные колебания, имеющие техническую причину.
На электростанциях любого типа имеются многочисленные трубопроводы, в том числе с двухфазным течением теплоносителя.
Отличительной чертой двухфазных потоков является неустойчивость течения, вызывающая низкочастотные вибрации, приводящие к разрушению и выходу из строя трубопроводов со всеми вытекающими последствиями. На АЭС и ТЭС вибрация трубопровод с двухфазными вскипающими потоками превратилась в серьёзную проблему, затрудняющую в некоторых случаях эксплуатацию оборудования. Эта проблема затрагивает в основном вспомогательные трубопроводы, какими являются трубопроводы продувки (непрерывной и периодической) «растопочные» трубопроводы, служащие для отвода сконденсировавшегося пара в паропроводах при пуске энергоустановки и трубопроводы отборов пара и конденсатопроводы сепараторов пароперегревателей (С1111) и подогревателей высокого давления (ПВД).
Вибрации, связанные с течением пароводяной смеси, имеют место на паропроводах и трубопроводах РОУ и БРОУ при отсутствии хорошего дренирования конденсата пара. В прикладном аспекте снижение вибрации трубопроводов с двухфазными потоками позволяет повысить надёжность и ресурс трубопроводных систем, снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт, повысить К.П.Д и КИУМ АЭС. Однако, в настоящее время до сих пор отсутствуют надежные и технологичные системы снижения вибрации трубопроводов. 1оэтому повышение надежной и безопасной эксплуатации трубопроводов, испытывающих проточные вибрационные воздействия, а также внедрение устройств для пассивно - управляемого снижения вибраций, является весьма актуальной задачей и имеет важное хозяйственное значение для энергетической и ряда других отраслей.
Степень разработанности темы исследования. Тема исследована в полном объеме для одного диаметра трубопровода, что подразумевает, с учетом теории подобия, дальнейшее распространение алгоритма исследований на любые трубопроводы и режимы двухфазного течения.
Объект исследования. Низкочастотные колебания оборудования АЭС, в том числе вибрации в трубопроводах с двухфазным течением среды на объектах энергетики.
Предмет исследования. Устройства для пассивного управления и снижения вибраций трубопроводов с двухфазным течением теплоносителя.
Цель работы: повышение уровня безопасности АЭС в регионах с высокой сейсмической активностью, разработка эффективных устройств для снижения вибраций трубопроводов с двухфазным течением и повышение вибрационной стойкости тепломеханического оборудования АЭС в сейсмоопасных регионах мира.
Задачи исследования.
1. Исследование сейсмической обстановки, исследование механизмов возникновений вибрации трубопроводов из-за воздействия внутренних механизмов, связанных со структурой течения двухфазных потоков, разработка пассивных устройств для снижения колебаний трубопроводов и анализ влияния сейсмического воздействия на теплоноситель в первом контуре АЭС.
2. Анализ сейсмической обстановки в регионе размещения АЭС «Руппур» с потенциального воздействия на вероятное усиление виброперемещения трубопроводов с двухфазным потоком.
3. Создание экспериментальных стендов:
а) вибродиагностического с аппаратурой СД-12 М
б) лазерного с использованием ИУ-метода
в) установки для исследований вскипания перегретой жидкости
г) установки для исследования кипения жидкости в узких каналах
4. Разработка и исследование эффективности пассивных устройств для снижения низкочастотных колебаний трубопроводов энергетического оборудования.
5. Анализ влияния низкочастотных колебаний на мгновенное вскипание перегретого теплоносителя в узком канале при отсутствии циркуляции (имитация отключения циркуляционных насосов в результате аварии).
Научная новизна. Выполненное исследование позволило получить следующие новые научные результаты:
- экспериментально исследованы закономерности возникновения вибраций после прохождения поворотных участков в трубопроводах при различных режимах течения двухфазных потоков. В частности, показано, что пассивные устройства (завихрители) снижают виброперемещение трубопровода на 25¬40 %, при среднеквадратичном отклонении в ходе экспериментов 15-20%;
- разработаны рекомендации по конструированию устройств пассивного типа для управления гидродинамической структурой двухфазного потока с целью снижения вибраций трубопровода и повышения надежности эксплуатации и ресурса АЭС в сейсмоопасных районах;
- получены новые экспериментальные данные о влиянии низкочастотных колебаний на вскипание теплоносителя в узком канале в отсутствие циркуляции.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке алгоритмов исследования вставок -завихрителей и их испытания при различных режимах течения двухфазных сред.
- практически проведен и представлен анализ сейсмической опасности в районе строительства АЭС Руппур (Республика Бангладеш);
- созданы экспериментальные стенды для формирования различных режимов двухфазных течений и исследования устройств снижения вибраций трубопроводов;
- разработаны устройства- завихрители пассивного типа для управления (снижения) вибрациями в трубопроводах энергетического оборудования;
- разработаны рекомендаций по конструкции устройств пассивного типа для управления гидродинамической структурой двухфазного потока с целью снижения вибраций, возникающих при изменении направления движения теплоносителя в трубопроводе, что позволяет выполнять технологические мероприятия для снижения вибраций трубопроводов на предприятиях различных отраслей промышленности (помимо энергетики - в пищевой и химической).
Использование устройств пассивного типа для управления гидродинамикой потока позволяет снизить амплитуду виброперемещений трубопровода на 25-40%. При этом, как результат, сокращаются расходы на техническое обслуживание и ремонт, повышается ресурс и надежность оборудования, а также безопасность объекта в целом.
Методология и методы исследования.
Экспериментальные исследования осуществлялись методом планируемого эксперимента, а в качестве методик применялись классические методики исследований двухфазных течений, методы анализа частотных спектров и температурных градиентов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- анализ сейсмической опасности при строительстве атомной электростанции на площадке АЭС Руппур (Республика Бангладеш);
- результаты экспериментального изучения вибраций после прохождения поворотных участков трубопровода при различных режимах течения двухфазного потока;
- исследование характеристик течения жидкости в трубопроводах с использованием РХУ-метода (лазерной велосимметрии);
- результаты экспериментов по влиянию устройств пассивного типа на управление гидродинамической структурой в поворотном участке и снижение вибро-перемещения трубопровода.
- результаты исследований вскипания перегретой жидкости в узких каналах.
Степень достоверности результатов исследования подтверждается следующим: полученные в работе научные результаты базируются на классических теориях теплообмена и гидродинамики двухфазных сред; удовлетворительным соответствием результатов расчетов, полученных в ходе исследований, экспериментальным характеристикам, а также известным ранее экспериментальным и теоретическим данным других авторов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на
- Международной конференции по вибрационным технологиям (Лиссабон, Португалия, сентябрь, 2018 г.);
- научной конференции-саммите ассоциации технических вузов России и Китая (АТУРК, Екатеринбург, 2018 г., «Лучшая научная работа молодого ученого»);
- Всероссийской конференции с международным участием «XXXIII Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2017 г.);
- конференции молодых ученых УралЭНИН (Екатеринбург, УрФУ, 2017 г.);
- научной секции Всемирного фестиваля молодежи и студентов «Доступная космическая энергия будущего» (Сочи, Россия, 2017 г.);
- международном конкурсе Российской государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» (видеопредставления молодых ученых 20 стран мира о развитии атомной энергетики в их странах; Диплом 3 степени от ГК «Росатом», Москва, 2017 г);
- конференции молодых ученых, УралЭНИН, (Екатеринбург, УрФУ,2016 г.);
- XVII Школе молодых ученых «Безопасность критических инфраструктур и территорий», (Екатеринбург, УрО РАН, УрФУ, 2016 г., 2018 г.),
- конференции по науке и технологиям для молодых исследователей Уральского энергетического института, (Екатеринбург, УрФУ, 2015 г.).
Личный вклад автора. Автором осуществлены:
- реализация задач по проведению экспериментов;
- проведение экспериментов на вибродиагностическом стенде с различными поворотными участками и вибродиагностическим оборудованием;
- разработка и создание трех экспериментальных стендов:
- стенд для лазерной трассерной велосимметрии (с использованием PIV- метода);
- экспериментальная установка по исследованиям вскипания перегретой жидкости;
- экспериментальный стенд для исследований влияния низкочастотных колебаний на вскипание перегретой жидкости в узком канале.
- обработка результатов экспериментов, разработка и патентная защита новой конструкции устройства пассивного типа для снижения вибраций трубопроводов;
- экспериментальное исследование эффективности различных устройств- завихрителей, выполненное с использованием метода лазерной велосимметрии (PIV-метод).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 5 статей опубликовано в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, включая 4 статьи - в изданиях, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5-ти глав, выводов и библиографии. Работа содержит 156 страниц текста, 47 рисунков,7 таблиц, список литературы из 134 наименований.
В процессе проведения экспериментов были сделаны следующие выводы и получены результаты:
1. Сооружение АЭС «Руппур» - единственный способ радикального улучшения энергообеспечения Бангладеш в короткие сроки для наиболее сильного из потенциальных и близко расположенных очагов землетрясений (Мадупур), где интенсивность сейсмического воздействия на площадке АЭС не превышает 8 баллов по шкале М8К 64.
2. Анализ сейсмической ситуации для вопросов безопасности относительно планируемой площадки проекта атомной электростанции в Бангладеш продемонстрировал, что наибольшие воздействия на площадку размещения АЭС находятся в диапазоне периодов колебаний грунта от 0,1 до 10 сек, с пиками ускорений в диапазоне от 0,8- 2 сек; скоростей от 2 до 3 сек; перемещений от 2 до 8, что свидетельствует о потенциально опасном низкочастотном характере воздействия на расположенные на площадке объекты.
3. Разработаны и внедрены 4 экспериментальных стенда для исследования воздействия низкочастотных колебаний (имитация землетрясения) на состояние трубопроводов энергетического оборудования.
• вибродиагностический стенд;
• лазерный стенд цифровой трассерной визуализации- РТУ Метод;
• экспериментальный стенд исследования влияния низкочастотного воздействия на процесс вскипания теплоносителя в объеме;
• экспериментальный стенд исследований поведения перегретой жидкости в узком канале.
4. Впервые исследованы спектры виброхарактеристик (виброперемещения виброускорения, виброскорости) трубопроводов при различных режимах течения двухфазного потока с использованием разных типов завихрителей. Получены результаты, характеризующие эффект использования завихрителей в трубопроводах с двухфазным течением: снижение виброперемещения до 25-40% при среднеквадратичной ошибке 15%.
5. С помощью лазерного сканирования (ИУ-метод) получены распределения скоростей в прямолинейных и различных поворотных участках трубопровода, определены условия вихреобразования и возникновения градиента давлений на внешние и внутренние стенки в поворотных участках, что дает возможность верификации расчетных моделей при решении задачи пассивного управления (снижения) виброперемещения трубопроводов энергетического оборудования и повышения надежности и безопасности эксплуатации его в целом.
6. Экспериментальные исследования показали, что низкочастотные ударные воздействия ведут к интенсивному кавитационному вскипанию перегретого теплоносителя (воды), причем уровень перегрева зависит от размера каналов, содержащих жидкость.
7. В результате температурных измерений перегретой жидкости во время экспериментов, направленных на определение воздействия ударов на процесс вскипания показано, что при отсутствии циркуляции теплоносителя максимальный перегрев соответствовал температуре 108 °С (на 8 градусов выше температуры кипения), а для исследований вскипания перегретой жидкости в узком канале соответствовал температуре 103°С (на 3 градуса выше температуры кипения). В обоих случаях низкочастотные воздействия (потенциальные землетрясения) приводили к снижению температуры вскипания теплоносителя, что характеризует возрастание опасности в случае землетрясения и требует применения дополнительных устройств для снижения виброперемещений оборудования и трубопроводов.
1. Сооружение АЭС «Руппур» - единственный способ радикального улучшения энергообеспечения Бангладеш в короткие сроки для наиболее сильного из потенциальных и близко расположенных очагов землетрясений (Мадупур), где интенсивность сейсмического воздействия на площадке АЭС не превышает 8 баллов по шкале М8К 64.
2. Анализ сейсмической ситуации для вопросов безопасности относительно планируемой площадки проекта атомной электростанции в Бангладеш продемонстрировал, что наибольшие воздействия на площадку размещения АЭС находятся в диапазоне периодов колебаний грунта от 0,1 до 10 сек, с пиками ускорений в диапазоне от 0,8- 2 сек; скоростей от 2 до 3 сек; перемещений от 2 до 8, что свидетельствует о потенциально опасном низкочастотном характере воздействия на расположенные на площадке объекты.
3. Разработаны и внедрены 4 экспериментальных стенда для исследования воздействия низкочастотных колебаний (имитация землетрясения) на состояние трубопроводов энергетического оборудования.
• вибродиагностический стенд;
• лазерный стенд цифровой трассерной визуализации- РТУ Метод;
• экспериментальный стенд исследования влияния низкочастотного воздействия на процесс вскипания теплоносителя в объеме;
• экспериментальный стенд исследований поведения перегретой жидкости в узком канале.
4. Впервые исследованы спектры виброхарактеристик (виброперемещения виброускорения, виброскорости) трубопроводов при различных режимах течения двухфазного потока с использованием разных типов завихрителей. Получены результаты, характеризующие эффект использования завихрителей в трубопроводах с двухфазным течением: снижение виброперемещения до 25-40% при среднеквадратичной ошибке 15%.
5. С помощью лазерного сканирования (ИУ-метод) получены распределения скоростей в прямолинейных и различных поворотных участках трубопровода, определены условия вихреобразования и возникновения градиента давлений на внешние и внутренние стенки в поворотных участках, что дает возможность верификации расчетных моделей при решении задачи пассивного управления (снижения) виброперемещения трубопроводов энергетического оборудования и повышения надежности и безопасности эксплуатации его в целом.
6. Экспериментальные исследования показали, что низкочастотные ударные воздействия ведут к интенсивному кавитационному вскипанию перегретого теплоносителя (воды), причем уровень перегрева зависит от размера каналов, содержащих жидкость.
7. В результате температурных измерений перегретой жидкости во время экспериментов, направленных на определение воздействия ударов на процесс вскипания показано, что при отсутствии циркуляции теплоносителя максимальный перегрев соответствовал температуре 108 °С (на 8 градусов выше температуры кипения), а для исследований вскипания перегретой жидкости в узком канале соответствовал температуре 103°С (на 3 градуса выше температуры кипения). В обоих случаях низкочастотные воздействия (потенциальные землетрясения) приводили к снижению температуры вскипания теплоносителя, что характеризует возрастание опасности в случае землетрясения и требует применения дополнительных устройств для снижения виброперемещений оборудования и трубопроводов.