Jens Conzen，结构服务与振动经理，Gabe Wood，热危害测试与咨询代理经理
摘要
在超压事件中，释放装置的突然开启将导致释放管道承受动态负载。可能会产生一种以声速通过流体的压力波。这导致了力的不平衡，特别是在长管段上，可能会损害减压系统或阻止减压系统正常运行。为了设计和适当地保护带有必要支撑的泄压管道，关键是要对泄压装置开启后的动态负载(例如推力、动量和波动)进行详细的分析。在许多情况下，简单的分析技术可能不合适，可能需要对作用于释放系统的负载进行时程分析。为了解决这一现象，将讨论使用RELAP5(反应堆漂移和泄漏分析程序)软件评估动态载荷。RELAP5软件可用于分析流体瞬态并计算由此产生的载荷。使用水作为流体，可以评估进行单相或两相释放的系统。
1.介绍
本文总结了一种可用于化学反应器应急救援系统设计尺寸和验证的方法，重点是反作用力的计算。该方法包括多个步骤，包括量热试验、流体动力学和结构计算。这个例子是一个生产酚醛树脂的三个反应堆的工厂。在一个假设的过程危险分析(PHA)中，确定了催化剂添加前的冷却损失可能导致容器的过压。作为回应，进行了量热试验，并使用获得的数据来评估释放装置所需的尺寸。
失控反应的特性随后被用于提供反作用力的流体动力学评估。反力作为结构分析的输入。采用RELAP5软件计算流体力，采用PIPESTRESS软件进行结构评估。结构设计的充分性最终根据适当的管道规范进行了评估。
2.测试
要用于的数据救济尺寸使用Vent Sizing Package 2TM (VSP2)收集数据，VSP2的设计目的是获取热数据和Vent Sizing数据[2,3,4,5]。VSP2利用低phi因子测试细胞，从而提供近绝热失控条件。因此，在VSP2中测量的温度和压力数据可以直接扩展到任何工艺容器。
在该实施例中评价的系统是碱催化的酚醛反应。配方使用2.2：1摩尔比甲醛与苯酚。在加入催化剂（50％苛性碱）之前，测试的镦粗场景是冷却的损失。将苯酚和34％甲醛溶液加入到试验细胞中。然后将内容物加热至50℃的过程温度。将催化剂注入测试电池中，并将样品保持绝热。温度上升率数据如图1所示。初始放热由催化剂本身的混合热引起，然后产生产生酚醛树脂的润滑率交联聚合反应。将压力与温度数据与水的蒸气压数据进行比较，从DIPPR®[1]中取出，并且如图2所示。压力分布表示随着温度升高，系统非常紧密地遵循水的蒸气压力。测试数据表明处理容器存在可能的过压危险。因此，应评估处理容器，以便通过减压系统提供适当的过压保护。
3.救助规模评估
对血管R-3评估所需的浮雕尺寸，用于生产酚醛树脂。该容器的体积为5m 3并含有4m 3的反应物。血管最大允许的工作压力（MAWP）是30psig，破裂盘组压力为10 psig。浮雕系统由位于反应器喷嘴下游的破裂盘组成，该磁盘导通通用的标题，然后达到捕捉箱。假设浮雕系统具有300英尺的等效长度。基于所测试的镦锻情景，在leang的ω-method中进行通气尺寸计算Fauske & Associates, LLC的PrEVent软件假设血管均质通气[6]。数据表明，该系统在感兴趣的排气区域表现为一个蒸汽系统。PrEVent输出确认了16英寸直径的破裂盘和管道将足以防止容器的超压。在确定溢流系统管道的尺寸后，可以进行力学分析，从流体力的计算开始。
4.流体力的评估
一旦破坏情景被量化，就使用流体模型来评估假定的破裂盘破裂所产生的载荷。流体力计算采用RELAP5计算机代码。RELAP (Reactor Excursion and leak Analysis Program)是为美国核管理委员会(US NRC)开发的一款轻水反应堆瞬态分析代码，用于模拟核和非核系统中各种液压和热瞬态，包括蒸汽、水、单相和两相条件下的不凝气体和溶质。对于这个例子，我们发现，由于缺乏对瞬态流体性质的具体知识，假设蒸汽/水性质是合理的。在瞬态过程中，容器内的化学反应可能导致出水特性迅速变化。反作用力预测的准确性取决于流体的密度和声速(在液相和气相)。因此，利用蒸汽/水的性质可以提供一个最佳的估计反作用力的解决方案。
RETAP5的能力已被验证，用于分析蒸汽/水中的蒸汽/水中的流体动力载荷，沿着管道系统的声音速度传播[7]。美国NRC还验证了代码，用于分析管道系统中的压力波的传播[9]。结果的比较证明了Relap5的适用性用于涉及涉及压力波在诸如反应堆浮雕系统设计的管道系统中的压力波的计算问题。
在这个例子中，每个反应堆的紧急救援管道都被连接到一个总管管中，总管管为储罐提供补给。集水罐被排到大气中。管径为8英寸的反应堆1,12英寸的反应堆2,16英寸的反应堆3和总管。图3提供了工厂布局的示意图。
爆炸盘位于反应堆的抽取喷嘴处。然后，建立了一个数值模型，提出了轮廓浮雕系统。需要注意的是，计算时间步长和节点大小必须正确选择。因此，该模型被精细地节点化，以允许详细计算整个系统管段的水动力载荷。例如，每个节点的长径比(L/D)设置接近统一。为了保证瞬态水动力载荷模拟的保真度，选择了一个小于声courant极限的最大时间步长。最大时间步长必须小于声波以声速通过节点体积的时间。
失控反应假定发生在单个反应堆中。然而，模拟全球排放情景是可能的。反应器初始化为两相混合物。假定破裂盘下游的管道和收集槽在环境条件下含有空气。在开始瞬态计算之前，先进行无流的稳态计算，使模型初始化。破裂盘的破裂是通过打开一个任意建模的阀门来假定的。因此，可以改变破裂盘的开启时间。在这种情况下，假定破裂盘在10毫秒内完全打开。考虑到降压瞬态持续时间较短，没有跨管壁传热的假设。但是，如果需要的话，可以考虑传热。 The resulting fluid densities, void fractions, velocities, and pressure time histories are used to compute the reaction forces. A schematic of the fluid model is shown in Figure 4.
基于容器[10]的一般力方程，开发了应用于结构分析模型的瞬态力-时程信息。一维形式的广义力方程可由由两弯头连接的管段求解为
这是由管段所代表的控制体积内流体动量变化率(称为波载荷)引起的非定常反作用力，当流动接近稳态时，波载荷()趋近于零。RELAP5采用双流体处理，并考虑到流动的蒸汽组分，这个方程得到
生成的时程数据现在用于计算弯头束缚的每个管段的力时程。图5显示了3号反应堆爆炸盘排气管的输出力示例。然后将所有的力时程作为力矢量应用到PIPESTRESS模型中，以进行最终的设计验证。
此外，还监测了捕集罐压力(图6)，以验证未超过MAWP。在安全阀系统的任何位置都可以监测到反压，包括附加的容器。
5.管道应力分析
在PIPESTRESS软件中生成了实例装置的结构计算机模型。模型所需的所有信息通常可以在管道等距图上找到。PIPESTRESS是一个用于核和工业管道的分析程序。它可以用来评估需要满足管道规范(如ASME B31.3)要求的负载情况。除了管道尺寸和管段长度(从上一步)，现在必须指定管道支撑系统和材料属性。该示例电站在1号反应堆附近的高点有一个滑动支撑(受限的一个自由度)，在集水箱上方有一个滑动支撑。此外，反应器出口喷嘴和储罐进口喷嘴均采用波纹管。波纹管有助于补偿由降压瞬变引起的位移。管的支撑被模拟成具有恒定刚度的弹簧。在这种情况下，安装硬件，如地脚螺栓，也应该进行评估。 Force, pressure, and temperature time histories are imported from the previous analysis step. The example plant is then verified for thermal expansion, dead weight, and the hydrodynamic depressurization loads resulting from the rupture disk bursting. The resultant stresses from the different load cases are divided by the allowable stress for the material to obtain the usage factors for the pipe segments and pipe supports. The highest allowable value for a usage factor is 1. Figure 7 shows the final result of the structural analysis.
可以看到，最大使用系数(应力比)小于1，这表明释放系统设计是充分的。最高的应力比(0.39)出现在三通接头，这是由于弯曲应力和应力集中造成的。
6.结论
提出了一种溢流系统设计验证的解决方案，重点论证了RELAP5可以用于建模和量化泄压过程中溢流系统的反作用力。该方法结合了实验室测试、流体动力学和结构力学分析。该方法的工程部分使用已被广泛验证的工业工具。因此，这种方法的应用为救济制度的设计提供了信心。
