摘要：随着核电企业采用提升功率的方式提高发电效益，其内部的干燥器容易受到较高的脉动压力载荷而导致声疲劳.介绍蒸汽发生器干燥器声疲劳试验方案——行波管混响腔模型.利用计算声学软件Actran进行仿真分析，研究试验装置内部声载荷分布特征.研究结果为后续试验研究提供技术支撑.
关键词：干燥器； 声疲劳； Actran
中图分类号：TL353.13文献标志码：B
0引言
核电站自然循环蒸汽发生器中的气水分离装置包括分离器和干燥器，是该设备的主要部件，其作用是保证自蒸汽发生器引出的饱和蒸汽的湿度低于规定指标，一般为0.25%.向汽轮机提供品质合格的饱和蒸汽，在结构上要求汽水分离装置布置紧凑、缩小体积，提高单位面积和单位体积的蒸汽负荷[1].品质满足设计要求的干蒸汽由蒸汽发生器主蒸汽管嘴流入主蒸汽管线，经主蒸汽安全阀所在管段和主蒸汽隔离阀后，到达汽轮机[2].
1研究背景
1.1蒸汽发生器干燥器的声疲劳隐患
在压水堆核电站中，蒸汽发生器是回路系统中的一个主设备，具有尺寸大、质量重、设计制造复杂和作用重要等特点，在设计和制造方面被称为当代热交换器技术的最高水平.长期以来，国际上压水堆核电站蒸汽发生器经常发生传热管腐蚀破损，在可靠性上存在严重问题，是核蒸汽供应系统的致命弱点.保证蒸汽发生器的制造质量有助于提高其安全可靠性.[3]
对蒸汽发生器的研究表明，随着核电企业采用提升功率的方式提高发电效益，其内部的干燥器容易受到较高的脉动压力载荷导致声疲劳.在美国，沸水堆（BWR-3）提升单堆功率后，蒸汽湿度随之增加.单堆功率提升17%后，对蒸汽发生器干燥器进行检修发现，由于声致振动，将导致其出现高周疲劳损伤.核电站工作原理见图1.
1.2声疲劳问题的成因
随着对蒸汽发生器干燥器进行深入研究，发现主蒸汽管线阀门的声共振是导致蒸汽发生器干燥器失效的重要原因.[4]
主蒸汽管线如果设计或安装不当，往往会在主蒸汽管线内形成“声共振”[5]，在主蒸汽管线阀门交接处形成声共振腔，并产生声共振，其声压力波经主蒸汽管线传播，作用到干燥器表面，引起干燥器声疲劳破坏.[6]声疲劳成为影响蒸汽发生器安全可靠性的重要隐患.
安全阀在主蒸汽管线上引起的流致声共振被认为是主要声源.蒸汽经过安全阀，产生声共振，形成空腔共鸣声.安全阀和主蒸汽管线连接处的声场与不稳定的剪切层相互作用，产生声共振现象，见图2.声共振产生后，脉动压力将沿着主蒸汽管线传回到干燥器结构表面作为声载荷，见图3.声载荷以较高频率持续作用于干燥器表面，在其幅值较大的情况下，将导致干燥器产生高周疲劳（材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经10 000～100 000次以上循环次数而产生的疲劳）.
1.3国内外研究进展
1.3.1国内研究现状
国内学者较多的是对蒸汽发生器的结构以及性能进行研究，如丁训慎[1]研究蒸汽发生器汽水分离装置蒸汽的湿度与阻力等性能.
除此以外，国内工程师非常关注主蒸汽管线阀门产生的噪声与振动问题.2002年，秦山核电站二期发现主蒸汽隔离阀噪音和振动问题，经初步研究发现，其根源是主蒸汽隔离阀缩径引起主蒸汽流速过大，解决方法是增加支撑和进行扩孔.秦山核电站二期的郭轶波等也先后进行主蒸汽隔离阀噪音和振动的原因分析，并给出解决方案.但是对于阀门振动和噪声的真正原因一直没有进行彻底的分析，进行扩孔等解决方案不能完全证明其可行性.2004年，秦山核电站二期进行一系列流场分析和振动试验，但对于振源、阀门损伤也没有明确结论.
国内参考电站——大亚湾核电站的主蒸汽隔离阀在2001年9月底巡检时，发现1号堆的1VVP001VV振动噪音与其他主蒸汽隔离阀相比偏大，为此，1号堆的1VVP001VV阀门的振动噪音问题引起大亚湾核电站的关注.同时，1号堆的1VVP002/003VV和2号堆的3台主蒸汽隔离阀上也存在同样问题，但没有1号堆的1VVP001VV的问题严重.
对于1号堆的1VVP001VV阀门异常振动和噪音问题，大亚湾核电站召开专题会议进行研究，认为主蒸汽系统的主蒸汽隔离阀振动与噪音现象，是由管道内强大的气流引起阀门的内部构件振动引起，长期以来一直存在，始终没有进行过彻底的原因分析并提出解决方案.
1.3.2国外研究现状
与国内研究的艰难处境相比，国外对阀门共振声源产生机理研究较早，且成果颇多.考虑到干燥器的声疲劳隐患，国外在进行核电功率提升时，都会预先进行沸水堆干燥器表面声载荷的定量研究.国内在这方面的研究仍是一片空白.
TAKAHASHI等[7]用试验方法研究阀门共振腔声源与蒸汽发生器干燥器表面声载荷特征；SOMMERVILLE[8]使用缩比模型方法研究蒸汽发生器内部的声载荷分布特征；YAN等[9]利用CFD方法直接求解蒸汽发生器内部的压力分布.
1.4蒸汽发生器干燥器声疲劳研究工作介绍
国内对核电设备中主蒸汽管道中阀门声共振的研究处于起步阶段，与国外同行相比，存在相当大的差距；蒸汽发生器干燥器声疲劳隐患研究尚属空白.这一技术缺失将导致在单堆功率提升时，国内核电站的运行存在巨大安全隐患.
本文研究行波管混响腔模型干燥器表面声载荷分布特征，对后续试验方案的实施提供技术支撑.
2行波管混响腔模型研究
2.1几何模型
行波管混响腔模型见图4.计划使用双扬声器系统，从2个入口端发射声波，在混响腔入口端会合后传递入混响腔内.混响腔截面为方形，在其四周壁面与后盖板表面设计扩散体，以产生无规入射声波，作用于干燥器试验件表面.混响腔内部放置的干燥器试件为波形板及其框架的整体模型.
3改进建议
行波管混响腔计算结果表明：高频段驻波现象不明显，中频段驻波显著；由于低频范围声波波长较长，因此驻波对混响腔内干燥器试件声压载荷均匀性影响较小；在中频范围，受驻波影响，干燥器试验件表面声压载荷不均匀.
行波管混响腔内驻波现象可从以下方面改进：
（1）可采用若干不相干的点源，如在试验装置中采用不同通道扬声器激发.
（2）中频范围的波长与扩散体接近，扩散体的散射效果有限，可采取倾斜壁板的方式增加腔内声场扩散，将行波管端面与侧面倾斜，使声场均匀.
（3）除此以外，可以考虑将扩散体的大小非均匀化，使用不同大小的扩散体.
在中低频段，声波波长较扩散体尺度大，很难做到声场均匀性.考虑到行波管内10个监测点某频率的1/3倍频带总声压级相近，试验研究可以使用1/3倍频带声学激励取代单音信号.
4结束语
为研究国内核电站在功率提升时所面临的蒸汽发生器干燥器声疲劳隐患，参考国外同行的研究进展，并在此基础上采用Actran进行仿真分析，为后续的试验方案提供技术支撑.对行波管混响腔的研究表明：将真实尺寸的波纹片结构放置在行波管混响腔内部，施加声信号产生高声强载荷，作用于波纹片试验件表面.在中频段出现驻波声场现象，需要调整试验装置以提高声场均匀度；也可以采用宽带噪声激励，避免单频信号驻波声场的影响.
目前，国内的蒸汽发生器干燥器声疲劳研究处于起步阶段，希望本文的研究成果与思路可以帮助更多的研究工作者更快地缩短与国外同行的差距.
参考文献：
[1]丁训慎. 核电站蒸汽发生器汽水分离装置的试验研究[J]. 核电站， 2002（11）： 1-7.
[2]陈军亮， 程慧平. 百万千瓦级压水堆核电厂蒸汽发生器干燥器冷态试验研究[J]. 核动力工程， 2006， 27（4）： 72-77.
[3]丁训慎. 压水堆核电站蒸汽发生器的制造[J]. 核电站， 2003（4）： 11-18.
[4]OKUYAMA Keita， TAMURA Akinori. Flow visualization of acoustic resonance for safty relief valves in power uprated bwrs[C]//Proceedings of the 17th international conference on nuclear engineering， ICONE17-75035， New York， 2009.
[5]OKUYAMA Keita， TAMURA Akinori， TAKAHASHI Shiro， et al. Flow-induced acoustic resonance at the mouth of one or two side branches[J]. Nuclear Engineering and Design， 2012， 249（8）： 154-158.
[6]OHTSUKA Masaya， FUJIMOTO Kiyoshi， TAKAHASHI Shirou， et al. Study on acoustic resonance and its damping of BWR steam dome[C]//Proceedings of ICAPP’06 Reno， NV USA， 2006.
[7]TAKAHASHI Shiro， OHTSUKA Masaya. Experimental study of acoustic and flow-induced vibrations in BWR main steam lines and steam dryers[C]//Proceedings of 2008 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference， Chicago，2008.
[8]SOMMERVILLE D V. Scaling laws for model test based BWR steam dryer fluctuating load definition[C]//Proceedings of2006 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference， PVP2006-ICPVT-11-93703， 2006.
[9]YAN Jin， BOLGER F. Acoustics impact on steam dryer induced by main steam line break in a boiling water reactor[J]. Nuclear Engineering and Design， 2009， 239（2）： 2843-2848.（编辑陈锋杰）
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