一种在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法与流程

本发明涉及核电设备安全研究领域，尤其涉及一种在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法。

背景技术：

在核电站服役期间，运行温度和压力的波动在核级设备和管道产生了交变应力，当交变应力达到一定幅度时将对核级设备和管道系统产生疲劳损伤。在核电厂设计阶段，设备和管道承受的运行瞬态是设计瞬态，设计瞬态是基于理想化的计算模型生成的，比实际发生的瞬态要严厉，而且这些设计瞬态发生的次序(即瞬态历程)未知，所以进行核级设备和管道疲劳设计分析时只能假设最不利的瞬态历程，导致计算得出的累积疲劳使用系数十分保守。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，由于设备和管道承受的运行瞬态是设计瞬态，设计瞬态是基于理想化的计算模型生成的，比实际发生的瞬态要严厉，而且这些设计瞬态发生的次序(即瞬态历程)未知，所以，现有技术中计算核级设备和管道疲劳损伤的方法存在计算得出的累积疲劳使用系数较为保守，核级设备和管道的疲劳设计复杂的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法，解决了现有技术中计算核级设备和管道疲劳损伤的方法存在计算得出的累积疲劳使用系数较为保守，核级设备和管道的疲劳设计复杂的技术问题，实现了降低了疲劳计算的保守性，简化核级设备和管道的疲劳设计的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法，所述方法包括：

首先，应用有限元分析软件生成分析位置的格林函数；

然后，应用有限元分析软件生成结构在单位压力和单位机械外载的响应；

然后，通过监测设备对距离所述分析位置的小于等于第一预设距离范围内的流体温度和压力进行监测并记录，其中，计算周期为第一预设周期；

然后，将监测的核电厂实时温度压力数据作为输入，应用格林函数法计算热应力，并计算压力应力和机械外载应力，累积应力得到分析截面的总应力；

然后，对各分析截面进行应力线性化，得到薄膜应力强度和弯曲应力强度；

然后，寻找应力峰值点和应力谷值点，并用雨流法进行应力组合，按照交变应力强度大小排序；

然后，考虑环境因素的影响，对每组应力组合计算疲劳使用系数并累加，得到该组瞬态历程的累积疲劳使用系数；

然后，实时输出该段时间的疲劳使用系数，进而在终端上每隔一段时间输出所述分析位置的累积疲劳损伤，或输出随时间变化的累积疲劳损伤曲线。

进一步的，所述有限元分析软件包括但不限于：ansys、adina、abaqus、msc中的一种或几种。

进一步的，所述应用格林函数法计算热应力具体为：根据阶跃载荷作用下的格林函数和高散的温度曲线求取热应力。

进一步的，所述计算压力应力和机械外载应力具体为：通过有限元软件计算单位压力或单位机械外载下的应力，再将这些单位载荷下的压力或应力放大相应倍数，得到压力应力和机械外载应力。

进一步的，所述用雨流法进行应力组合具体包括：

雨流法根据asme第ⅷ卷第二册附录5.b.4给出的推荐流程进行，并做了适应性修改，总体流程如下：

1)从所有峰值和谷值点中选取了差值最大的两个点组合(暂定为时间点m和时间点n，并假设m<n)，并将所有时间点进行重新整理，使得m位于第一个点。应力差值定义如下：

令m和n对应的6个应力分量分别为：

(σm)11,(σm)22,(σm)33,(σm)12,(σm)23,(σm)13

和(σn)11,(σn)22,(σn)33,(σn)12,(σn)23,(σn)13

令δσ11＝(σm)11-(σn)11，δσ22＝(σm)22-(σn)22，δσ33＝(σm)33-(σn)33

δσ12＝(σm)12-(σn)12，δσ23＝(σm)23-(σn)23，δσ13＝(σm)13-(σn)13

求δσ11,δσ22,δσ33,δσ12,δσ23,δσ13组成应力张量的三个主应力s1,s2,s3，

则应力差值为max(s1-s2,s2-s3,s1-s3)。

2)从新的峰值谷值序列中读入m和接下来3个点，记为m0，m1、m2和m3，若已超出数据范围，则转入第5)步；

3)令x、y和z分别为m0与m1，m1和m2，m2与m3对应的应力的差值，若满足x<y且z>y，则令m1和m2为一对应力组合；若不满足则令m1代替m为起始点，转入第2)步；

4)将m1和m2从序列中移除，得到新的序列，重新令m为起始点，转到第2)步；

5)从序列的最开始向后，两个时间点组成一对应力组合，把剩下的峰值谷值时间点形成若干对应力组合，直至时间点为0或1，剩1个时间点则将其与0应力状态作为一个组合。

进一步的，所述监测设备包括：测量冷却剂温度的热电偶，测量流体压力的压力计、阀门开关信号等。对核电厂而言，无需增加额外的监测设备，只需建立与现有信息系统的接口即可。

进一步的，所述对各分析截面进行应力线性化具体为：

将截面的应力划分为薄膜应力(σm)、弯曲应力(σb)和峰值应力(σf)，总应力大小等于三者之和。

计算公式如下：

σf＝σ-σm-σb

其中，xs为路径上的点离截面中心的距离，t为壁厚，σi为沿截面的应力分量。

对于截面应力线性化中涉及的积分，采取分段线性方法，即将截面分为若干段，每段之间应力认为是线性的。通过分段叠加的方法可求得以上积分得到截面线性化应力。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了将在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法设计为包括：首先，应用有限元分析软件生成分析位置的格林函数；然后，应用有限元分析软件生成结构在单位压力和单位机械外载的响应；然后，通过监测设备对距离所述分析位置的小于等于第一预设距离范围内的流体温度和压力进行监测并记录，其中，计算周期为第一预设周期；然后，将监测的核电厂实时温度压力数据作为输入，应用格林函数法计算热应力，并计算压力应力和机械外载应力，累积应力得到分析截面的总应力；然后，对各分析截面进行应力线性化，得到薄膜应力强度和弯曲应力强度；然后，寻找应力峰值点和应力谷值点，并用雨流法进行应力组合，按照交变应力强度大小排序；然后，考虑环境因素的影响，对每组应力组合计算疲劳使用系数并累加，得到该组瞬态历程的累积疲劳使用系数；然后，实时输出该段时间的疲劳使用系数，进而在终端上每隔一段时间输出所述分析位置的累积疲劳损伤，或输出随时间变化的累积疲劳损伤曲线的技术方案，即，实现在线计算疲劳使用系数的关键在于快速计算热应力场，基于线性叠加原理，可采用格林函数法快速计算结构热应力，在此基础上可以在线计算疲劳使用系数，实现实时在线监测，应用格林函数法实现了在线计算核级设备和管道的疲劳使用系数，计算所需的流体温度和压力数据通过现有或新增监测设备实时测量，最终在主控室显示终端实时输出疲劳损伤评定结果，所以，有效解决了现有技术中计算核级设备和管道疲劳损伤的方法存在计算得出的累积疲劳使用系数较为保守，核级设备和管道的疲劳设计复杂的技术问题，进而实现了降低了疲劳计算的保守性，简化核级设备和管道的疲劳设计的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请实施例一中在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法的流程图；

图2是本申请实施例一中有限元模型示意图；

图3是本申请实施例一中评定截面位置示意图；

图4是本申请实施例一中压力时间历程示意图；

图5是本申请实施例一中温度时间历程示意图；

图6是本申请实施例一中在热应力对比结果示意图；

图7是本申请实施例一中截面应力线性化示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法，解决了现有技术中计算核级设备和管道疲劳损伤的方法存在计算得出的累积疲劳使用系数较为保守，核级设备和管道的疲劳设计复杂的技术问题，实现了降低了疲劳计算的保守性，简化核级设备和管道的疲劳设计的技术效果。

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

采用了将在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法设计为包括：首先，应用有限元分析软件生成分析位置的格林函数；然后，应用有限元分析软件生成结构在单位压力和单位机械外载的响应；然后，通过监测设备对距离所述分析位置的小于等于第一预设距离范围内的流体温度和压力进行监测并记录，其中，计算周期为第一预设周期；然后，将监测的核电厂实时温度压力数据作为输入，应用格林函数法计算热应力，并计算压力应力和机械外载应力，累积应力得到分析截面的总应力；然后，对各分析截面进行应力线性化，得到薄膜应力强度和弯曲应力强度；然后，寻找应力峰值点和应力谷值点，并用雨流法进行应力组合，按照交变应力强度大小排序；然后，考虑环境因素的影响，对每组应力组合计算疲劳使用系数并累加，得到该组瞬态历程的累积疲劳使用系数；然后，实时输出该段时间的疲劳使用系数，进而在终端上每隔一段时间输出所述分析位置的累积疲劳损伤，或输出随时间变化的累积疲劳损伤曲线的技术方案，即，实现在线计算疲劳使用系数的关键在于快速计算热应力场，基于线性叠加原理，可采用格林函数法快速计算结构热应力，在此基础上可以在线计算疲劳使用系数，实现实时在线监测，应用格林函数法实现了在线计算核级设备和管道的疲劳使用系数，计算所需的流体温度和压力数据通过现有或新增监测设备实时测量，最终在主控室显示终端实时输出疲劳损伤评定结果，所以，有效解决了现有技术中计算核级设备和管道疲劳损伤的方法存在计算得出的累积疲劳使用系数较为保守，核级设备和管道的疲劳设计复杂的技术问题，进而实现了降低了疲劳计算的保守性，简化核级设备和管道的疲劳设计的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法，请参考图1-图7，所述方法包括：

首先，应用有限元分析软件生成分析位置的格林函数；

然后，应用有限元分析软件生成结构在单位压力和单位机械外载的响应；

然后，通过监测设备对距离所述分析位置的小于等于第一预设距离范围内的流体温度和压力进行监测并记录，其中，计算周期为第一预设周期；

然后，将监测的核电厂实时温度压力数据作为输入，应用格林函数法计算热应力，并计算压力应力和机械外载应力，累积应力得到分析截面的总应力；

然后，对各分析截面进行应力线性化，得到薄膜应力强度和弯曲应力强度；

然后，寻找应力峰值点和应力谷值点，并用雨流法进行应力组合，按照交变应力强度大小排序；

然后，考虑环境因素的影响，对每组应力组合计算疲劳使用系数并累加，得到该组瞬态历程的累积疲劳使用系数；

然后，实时输出该段时间的疲劳使用系数，进而在终端上每隔一段时间输出所述分析位置的累积疲劳损伤，或输出随时间变化的累积疲劳损伤曲线。

其中，在本申请实施例中，所述有限元分析软件包括但不限于：ansys、adina、abaqus、msc中的一种或几种。

其中，在实际应用中，计算周期使用人员可以根据实际需要自行进行设定，本申请不作具体限制，第一预设距离可以根据实际需要进行调整，在分析位置的附近和周边即可，本申请不作具体限制。

其中，在本申请实施例中，所述应用格林函数法计算热应力具体为：根据阶跃载荷作用下的格林函数和高散的温度曲线求取热应力。

其中，在实际应用中，应用格林函数法计算热应力具体可以参见《核动力工程》，第34卷，第5期，2013年10月的格林函数法在快速计算热应力中的应用研究，本申请不再赘述。

其中，在本申请实施例中，所述计算压力应力和机械外载应力具体为：通过有限元软件计算单位压力或单位机械外载下的应力，再将这些单位载荷下的压力或应力放大相应倍数，得到压力应力和机械外载应力。

进一步的，所述用雨流法进行应力组合具体包括：

雨流法根据asme第ⅷ卷第二册附录5.b.4给出的推荐流程进行，并做了适应性修改，总体流程如下：

1)从所有峰值和谷值点中选取了差值最大的两个点组合(暂定为时间点m和时间点n，并假设m<n)，并将所有时间点进行重新整理，使得m位于第一个点。应力差值定义如下：

令m和n对应的6个应力分量分别为：

(σm)11,(σm)22,(σm)33,(σm)12,(σm)23,(σm)13

和(σn)11,(σn)22,(σn)33,(σn)12,(σn)23,(σn)13

令δσ11＝(σm)11-(σn)11，δσ22＝(σm)22-(σn)22，δσ33＝(σm)33-(σn)33

δσ12＝(σm)12-(σn)12，δσ23＝(σm)23-(σn)23，δσ13＝(σm)13-(σn)13

求δσ11,δσ22,δσ33,δσ12,δσ23,δσ13组成应力张量的三个主应力s1,s2,s3，

则应力差值为max(s1-s2,s2-s3,s1-s3)。

2)从新的峰值谷值序列中读入m和接下来3个点，记为m0，m1、m2和m3，若已超出数据范围，则转入第5)步；

3)令x、y和z分别为m0与m1，m1和m2，m2与m3对应的应力的差值，若满足x<y且z>y，则令m1和m2为一对应力组合；若不满足则令m1代替m为起始点，转入第2)步；

4)将m1和m2从序列中移除，得到新的序列，重新令m为起始点，转到第2)步；

5)从序列的最开始向后，两个时间点组成一对应力组合，把剩下的峰值谷值时间点形成若干对应力组合，直至时间点为0或1，剩1个时间点则将其与0应力状态作为一个组合。

进一步的，所述监测设备包括：测量冷却剂温度的热电偶，测量流体压力的压力计、阀门开关信号等。对核电厂而言，无需增加额外的监测设备，只需建立与现有信息系统的接口即可。

进一步的，所述对各分析截面进行应力线性化具体为：

将截面的应力划分为薄膜应力(σm)、弯曲应力(σb)和峰值应力(σf)，总应力大小等于三者之和，如图7所示。

计算公式如下：

σf＝σ-σm-σb

其中，xs为路径上的点离截面中心的距离，t为壁厚，σi为沿截面的应力分量。

对于截面应力线性化中涉及的积分，采取分段线性方法，即将截面分为若干段，每段之间应力认为是线性的。通过分段叠加的方法可求得以上积分得到截面线性化应力。

其中，在实际应用中，有限元分析软件有多种，本申请具体采用ansys进行举例介绍：

ansys软件是大型通用有限元分析(fea)软件，是计算机辅助工程(cae)软件，能与多数计算机辅助设计(cad，computeraideddesign)软件接口，实现数据的共享和交换，如creo,nastran,alogor,i－deas,autocad等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ansys功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的fea评比中都名列第一。目前，中国较多所理工院校采用ansys软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。ansys有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

其中，在实际应用中，举例对本申请实施例中的方案进行介绍：

监测部位为承压圆柱形容器上的接管嘴结构。本申请中的技术方案的计算输入为某一段温度压力历程，在实际核电厂运行条件下这些数据通过本发明的流体温度和压力监测设备进行记录和处理，并发送到本发明的核心计算模块进行实时疲劳损伤系数计算，最终通过显示终端实时显示当前该监测部位的累积疲劳损伤。作为一个算例，假设一段温度压力历程输入数据，见图4和图5。分别用ansys建立三维实体模型和用发明的计算模块进行计算，并比较计算的热应力和疲劳使用系数结果，以验证本发明核心计算模块的正确性。ansys有限元模型见图2，评定截面位置见图3。

环向(y)和轴向(z)热应力对比见图6，疲劳使用系数计算结果对比如表1所示。

表1

由以上对比结果可见，本发明的计算结果正确，而且计算时间远短于ansys软件，可用于在线疲劳监测。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了将在线监测核级设备和管道疲劳损伤的方法设计为包括：首先，应用有限元分析软件生成分析位置的格林函数；然后，应用有限元分析软件生成结构在单位压力和单位机械外载的响应；然后，通过监测设备对距离所述分析位置的小于等于第一预设距离范围内的流体温度和压力进行监测并记录，其中，计算周期为第一预设周期；然后，将监测的核电厂实时温度压力数据作为输入，应用格林函数法计算热应力，并计算压力应力和机械外载应力，累积应力得到分析截面的总应力；然后，对各分析截面进行应力线性化，得到薄膜应力强度和弯曲应力强度；然后，寻找应力峰值点和应力谷值点，并用雨流法进行应力组合，按照交变应力强度大小排序；然后，考虑环境因素的影响，对每组应力组合计算疲劳使用系数并累加，得到该组瞬态历程的累积疲劳使用系数；然后，实时输出该段时间的疲劳使用系数，进而在终端上每隔一段时间输出所述分析位置的累积疲劳损伤，或输出随时间变化的累积疲劳损伤曲线的技术方案，即，实现在线计算疲劳使用系数的关键在于快速计算热应力场，基于线性叠加原理，可采用格林函数法快速计算结构热应力，在此基础上可以在线计算疲劳使用系数，实现实时在线监测，应用格林函数法实现了在线计算核级设备和管道的疲劳使用系数，计算所需的流体温度和压力数据通过现有或新增监测设备实时测量，最终在主控室显示终端实时输出疲劳损伤评定结果，所以，有效解决了现有技术中计算核级设备和管道疲劳损伤的方法存在计算得出的累积疲劳使用系数较为保守，核级设备和管道的疲劳设计复杂的技术问题，进而实现了降低了疲劳计算的保守性，简化核级设备和管道的疲劳设计的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。