H型防甩装置吸能效果研究

张金换，李浩，周勇

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

前言

环境与能源问题一直是困扰社会发展的重要问题，以煤炭为主的能源结构已经无法适应经济快速发展和对清洁能源的要求。核电作为一种清洁能源，对于满足电力能源要求、优化能源结构、减轻污染、促进经济能源的可持续发展有重要的作用。

截至2016年底，我国核电装机容量达到3364万千瓦，在建机组约2139万千瓦。国家能源局发布的《2017年能源工作指导意见》中提出，2017年实现煤炭去产能5000万吨，同时大力发展核电，积极推进已开工核电项目，年内计划新增装机规模641万千瓦[2]。《电力发展“十三五”规划》中提出，到 2020年核电装机达到 5800万千瓦，在建核电机组 3000万千瓦以上[3]。

核电厂的高能管道输送高温高压的介质，一旦管道断裂，管道很容易发生甩击，对相邻的建筑物和其他管道产生类似于飞射物性质的冲击，产生恶性连锁反应。

为了减小管道甩击来带的破坏，需要根据高能管道的布置特点、薄弱点、电厂整体结构等情况，安装H型防甩击系统，通过防甩装置结构的变形吸收破坏能量[4]。

1 防甩装置碰撞试验

1.1 试验台架

试验台架在汽车碰撞试验设备的基础上进行改进，将试验样件固定在碰撞壁上，同时在碰撞台车上安装模拟管道形状的冲击头。试验台架如图1所示。

图1 试验台架

1.2 试验结果

试验冲击能量为100kJ，试验条件输入如表1所示。

表1 试验条件输入

试验过程中样件的最终变形情况如图2所示。

图2 样件变形情况

通过对高速摄像的处理，可以得到冲击锤头的位移情况如图3所示。

图3 台车位移曲线

试验过程中采集的冲击台车的加速度曲线如图4所示。

图4 台车加速度时程曲线

从实验数据可以看出，样件最大变形量为25mm左右，减速过程中台车的最大加速度大约为275g。

2 仿真分析

2.1 建立仿真模型

为了更好的研究样件在受冲击过程中的响应情况，建立了有限元仿真模型。为了便于计算，将台车进行简化，总质量集中在冲击头部分，仿真模型如图5所示。

图5 仿真模型

模型中样件的材料参数如表2所示。

表2 样件材料参数

2.2 模型与试验结果对标

图6为试验与仿真的加速度结果对比。通过加速度曲线可以看出，仿真与试验的加速度峰值误差很小，脉宽基本一致，说明仿真模型能够很好的再现试验过程中样件的响应状态。

图6 仿真与试验加速度对比

2.3 变形过程中样件内部应力应变情况

图7 样件内部应变分布

由于样件侧壁蜂窝孔的作用，导致局部位置会出现应力相对较大的情况，通过仿真可以直观看出应变和应力在样件中的分布。样件应力分布如图7所示。

3 总结

从图7可以看出，由于蜂窝孔的存在，导致应力分布不均匀，中间两个孔径圆心连线方向上由于材料厚度较小，导致应力较大，最大应力到870MPa。

图6台车加速度的峰值在4ms时达到最大，从内部应力分布来看，在4-5ms时内部局部应力达到最大，之后不断减小。

在冲击能量为100kJ时，应力分布不均匀，只有局部很小的位置应力较大，其他大部分应力水平较小，吸能效率较低。因此，如果在冲击能量一定的情况下，可以减小样件壁厚，或增加蜂窝孔径来提高吸能效率，降低加速度。

由于时间限制，目前仅做了一种能量下的冲击试验，后续还会继续进行不同能量的冲击试验以及仿真分析，深入研究样件的吸能效果，同时，也会改变蜂窝孔径的大小和形状，进一步改进样件，提高吸能效率，并降低冲击过程中的加速度，尽可能保证事故中管道和周围结构的安全。

参考文献

[1] Palusamy S., Patrick W. L.,and Cloud R. L.,1974,“Dynamic Analysis of Pipe Whip Problems,” Nucl. Eng. Des., 31, pp. 106-116.

[2] 国家能源局. 2017年能源工作指导意见. 2017.

[3] 国家发展改革委员会,国家能源局.电力发展“十三五”规划. 2016.[4] 操丰.基于双线性法的高能管道假想破口载荷分析及H型防甩击限制器设计[C]// 2010中国核电产业科技创新与发展论坛. 2010:64-68.

[5] Salmon M. A., and Verma V. K., 1976, “Rigid Plastic BeanModel for Pipe-whip Analysis,” J. Engng Mech. Div., Am. Soc. Civ. Engrs,102, pp. 415-430.

[6] Reid S. R., Yu T. X., and Yang J. L., 1995, “Response of An Elastic-plastic Tubular Cantilever Beam Subjected to Force Pulse at Its Tip:Small Deflection Analysis,” Int. J. Solids Struct., 32, pp. 3407-3421.

[7] 余同希,华云龙.核电站中管道破裂后的甩动及其防护[J].压力容器,1986(1):73-79.

[8] 李承亮,邓小云,阴志英,等.核电厂高能管道应用破前漏技术对材料力学性能的要求[J].原子能科学技术,2012, 46(b12):877-880.