(Part 1)在瞬态汽蚀条件下水锤预测的应用指南 第1部分:压力

ASME 2018压力容器和管道会议

PVP2018

2018年7月15 – 20日,捷克共和国布拉格

PVP2018-84338

Matthew Stewart P.E.                                                                     Trey W. Walters P.E.

AECOM Management Services                                                              Applied Flow Technology
Greenwood Village, Colorado, USA                                                      Colorado Springs, Colorado, USA

Greg Wunderlich P.E.                                                                    Erin A. Onat

AECOM Management Services                                                             Applied Flow Technology
Greenwood Village, Colorado, USA                                                     Colorado Springs, Colorado, USA

摘要

当发生瞬时汽蚀时(也称为液柱分离),水锤分析(此处称为液体瞬态分析或简称为“HTA”)变得更加复杂。虽然与已知测试或现场数据相比,基于特征线法的标准HTA瞬态汽蚀模型显示出良好的相关性,但绝大多数测试或现场数据是针对单个瞬态的简单系统。尚未验证过更复杂系统的瞬态汽蚀和有两个或更多个独立激发事件的瞬态汽蚀。

本文的第1部分描述了ASME B31.3已经为压力控制提供的各种安全系数,提供了HTA计算结果可接受的标准,提到了瞬态汽蚀的存在,并提出了用户根据瞬态汽蚀结果应该额外考虑安全系数的建议。

讨论了建议通过减少水锤来减少瞬态压力和水锤力的情况,以及在特定情况下增加对HTA预测结果的信心。本文结论是提出了一个全面而实用的指导原则,实践工程师可以使用它来进行水锤分析并将水锤力应用到管道应力分析上。

关键词

水锤,流体瞬态,水力瞬变分析(HTA),瞬时汽蚀,液柱分离,ASMEB31.3,离散蒸汽蚀空腔模型(DVCM),离散气体空腔模型(DGCM)

概述

HTA的一个基本目的是给管道设计提供指导,以便在管道系统的设计中考虑水锤的影响。通常情况下,HTA工程师和管道机械设计工程师(或管道应力工程师)在不同的部门工作,并且在某种程度上讲不同的“工程语言”。

HTA工程师关注的事项包括预测流体压力并评估其在预测压力可靠性。管道机械设计工程师需要将HTA预测压力及其对HTA预测结果的可靠性转化为管道负荷和管道应力分析中使用的安全系数。

最近一个美国核设施项目促成了本文作者之间的合作。虽然ASME管道规范关于安全系数提供了指导,但几乎没有将其应用于水锤条件的指导原则。安全性和管道完整性是该项目的一个重要问题,因为这些流体具有放射性。

相关的项目合作将HTA工程师和管道应力工程师聚集在一起,以制定认可HTA预测结果的标准。HTA工程师在软件验证报告中记录了这些标准。这个项目合作不仅涉及到工程设计公司,还涉及到HTA软件的开发人员。

工程设计公司需要有关如何解释和应用HTA预测的实用指导。在HTA中特别具有挑战性的一个问题是模拟瞬态汽蚀(通常称为液柱分离)。当水锤压力波将管道系统中的压力降低到流体的饱和蒸汽压力时,就会发生瞬态汽蚀。在HTA圈内众所周知,最先进的瞬态汽蚀模型也有许多限制和弱点。在许多弱点中,模型有一种趋势,即产生非物理压力预测是不现实的,在某些情况下可能是完全不准确的。制定标准文档的挑战是提供关于如何解释瞬态汽蚀的实用指导,如何忽略不准确的预测结果,如何对各种预测结果的可靠性进行排序,以及在管道应力分析中应使用什么安全系数。

在这次合作之后,作者认为最终文件对大型工程来说很有意义。本文的目的是分享我们合作的成果,并提出将它作为一个指南,供面临类似挑战的其他人使用。

在汇总我们提出的指导原则时,需要作出仔细的判断。作者的目的是创造务实和可操作的东西。在具有瞬态汽蚀的HTA不确定的区域中,这需要在模糊问题上做出一些困难的决定。因此,这就有充分的辩论和分歧的空间,作者也欢迎大家来讨论。希望使用这些标准的工程师应考虑遵循ASME B31.3第300(c)(3)[1]条的要求。

所使用的HTA软件AFT Impulse是在市面上可购买到的且是非常常用的,并且Applied Flow Technology [2]和Ghidaoui等人也讨论过[3]。它利用特征线法(MOC)来求解控制方程(Wylie和Streeter [4],Chaudhry [5])。虽然它是一种通用的商业HTA工具,但它在核工业中应用广泛,并且已经受到核工业用户的的认可(CGD)。它包括两个最受欢迎和最熟悉的瞬态汽蚀模型-离散汽蚀空腔模型(DVCM)和离散气体空腔模型(DGCM)。这些模型记录在文献中(Wylie和Streeter [4],Bergant等人[6])。

本文提出的指南最直接适用于基于MOC的水锤软件和应用ASME管道规范的设计。作者已尽最大努力将我们开发的内部文档概括为本指南,以使其尽可能广泛适用。我们在这里创建的指导文件被证明是有用的,并且适用于不使用MOC软件或ASME管道规范的情况。

该指南由以下部分1.0-5.0组成。在本文的最后,对本指南作了总结,作者讨论了他们做出决定背后的一些推理。

名称和符号

S许用应力

ℎa由于HTA计算的压力而产生的应力

温度下的拉伸应力

温度下的屈服强度

缩写

CAC汽蚀验收标准   HTA水力瞬态分析(水锤分析)
CSF汽蚀安全系数   HTF液体瞬态力(水锤对管道造成的不平衡力)
CSM汽蚀安全裕度               MOC特征线法
CVR汽蚀体积比   SF安全系数
DGCM离散气体空腔模型 – 用于水锤分析模拟蒸气腔形成和溃灭的模型 SM安全余量
DVCM离散汽蚀空腔模型 – 用于水锤分析模拟蒸气腔形成和溃灭的模型 SME   主题专家
HGL液体水头线

1.0准则简介

虽然使用DGCM和DVCM瞬态汽蚀模型的水锤特征线方法(MOC)分析与已知的测试或现场数据相比显示出良好的相关性,但绝大多数测试或现场数据是针对简单系统的单个瞬态。

具有分支或管道网络流量,高程变化,管道口径变化和各种结点类型的系统的瞬态汽蚀结果尚未完全针对数据进行验证。此外,由两个或多个独立激发的瞬变产生的瞬时汽蚀尚未完全进行验证。

为了解释这种不确定性,基于瞬态汽蚀程度(以下更简称为“汽蚀”)将汽蚀安全系数结合到最大计算瞬态压力中。该标准遵循作者使用的最佳实践,并且需要使用用户的判断。最后,根据HTA工程师的判断,结果应该是合理的。

本指南描述了ASME B31.3已经为压力管道提供的各种安全系数,提供了可接受的有汽蚀现象的瞬态计算结果的标准,并建议用户根据汽蚀结果添加额外的安全系数。

2.0定义

替代方案 – 如果发现HTA汽蚀结果不可靠,则添加泄压设备以将汽蚀作用降低到可接受的水平是首选解决方案。其他替代方案包括在具有更强大的混合相分析功能的其他软件中进行分析,例如RELAP5 [7]或计算流体动力学(CFD)系统。

应用消减 – 减慢阀门关闭的速度,增加真空释放阀,液压气动罐,电池备份和泵飞轮,或限制流量来提升HGL,这些都是可能的,也可以增加管道压力等级。

 汽蚀体积比(CVR) – 特定管段中的汽蚀蒸汽体积与该管段的体积之比。

请注意,当发生汽蚀时,CVR通常随每个管道计算段的时间而变化。最大的CVR不仅影响该计算段模拟结果的可靠性,而且影响与该段连接的所有计算段中模拟结果的可靠性。通常,这意味着将影响整个管道系统。因此,一个新的术语定义为:

汽蚀体积比最大值(CVRMAX) – 模拟所有时间步长中所有管道计算段的所有CVR值的最大值。此值用于确定标准,并分类为:

None无:汽蚀永远不会发生(CVRMAX = 0)

Limited限制:0%<CVRMAX≤10%

Major严重:10%<CVRMAX <100%

Extreme极端:100%≤CVRMAX

此后,在本文中,为了区分前面单词的正常语言使用和当前CVR严重性上下文中的用法,当在本上下文中使用时,单词None,Limited,Major和Extreme被加粗并大写。

提醒读者不要过分强调我们为这些不同的CVR类别选择的特定单词。我们这几个可以参考的词语主要用于决策目的。例如,Limited这个词不应被解释为意味着汽蚀不重要。所有汽蚀都可能非常重要。

DGCMDVCM  – 离散气体空腔模型(DGCM)和离散汽蚀空腔模型(DVCM)是用于模拟水锤瞬态汽蚀的两种不同数学模型。DVCM是较旧的模型,在概念和软件实现方面更简单。DGCM通常更准确,并且不易受数值模型噪声的影响(见下面的定义)。当没有发生汽蚀时,DVCM的计算速度明显更快。因此,它是首选的默认模型。一旦确定汽蚀,应考虑DGCM。

局部汽蚀与广泛汽蚀 – 局部汽蚀意味着汽蚀往往仅发生在系统的局部和相对较小的部分。广泛的汽蚀意味着沿着大部分管道并且可能在系统的许多部分都发生汽蚀。

数值模型噪声 – 压力冲击仅持续一个或几个时间步长和或对模型输入参数的微小变化非常敏感,模型输入参数是计算的数学异常(即汽蚀模型的伪像)。这些并不代表现实世界中会出现的情况。

持久汽蚀 – 汽蚀发生在一个或多个位置,并且在瞬态模拟期间从没停止过。这表明系统的一部分从未以汽泡溃灭的方式再加压。可以通过进行系统的单相稳态模拟来检查是否存在这种情况,该模拟可显示出在所有瞬态已经消失之后的最终系统状态。如果这种稳态模拟显示压力低于饱和蒸汽压力,则前一次瞬态模拟中的持续汽蚀肯定存在。例子包括在稳态流动期间泵入口,阀门或高程高点处的汽蚀。持久汽蚀代表持续的两相瞬态流动,超出了大多数HTA软件的能力,包括用于该项目的HTA软件。

分段 – 特征线法(MOC)要求将每根管道分成相等长度的较小管段。这通常导致舍入误差,以便实施共同的时间步长。计算舍入误差的一种常用方法是调整每个管道中的波速。选择正确的分段时有两个选项可用。

  1. 最小可接受的管段数量– 在所有瞬态模型管道中提供小于±15%波速圆整误差的管道截面的最小数量; 这仅用于评估CVR,不用于确定HTA压力或力。
  2. 优化分段 – 在运行时间和波速误差之间进行权衡,波速衰减小于±10%。

灵敏度检查–通过不同输入修改HTA模型以比较计算结果的操作。例子包括1)改变汽蚀模型或完全关闭汽蚀,2)改变模型管道分段,3)改变模型输入数据; 例如,改变液体密度,饱和蒸汽压力,压力边界条件,阀门Cv等的±1%。

相似一致的结果 – 当压力峰值出现在相似的幅度,时间和持续时间时。这里的相似一致性意味着最显著的压力峰值在10-20%之内。当比较两次运行时可以判断结果是否相似。HTA汽蚀模型是不精确的,一般相似性是比较运行时可以预期的最佳。

SME – 主题专家(例如,负责任的液体瞬态分析工程师或顾问)。

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