一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测装置及方法与流程

本发明属于核电疲劳寿命监测技术领域，具体涉及一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测装置及方法。

背景技术：

蒸汽发生器是核电厂核岛内重要的设备，是核电厂一回路及二回路重要压力边界，而疲劳是影响蒸汽发生器压力边界完整性的重要因素，如何实时把握蒸汽发生器关键承压部件疲劳损伤状态至关重要，累积疲劳损伤系数是衡量疲劳损伤状态的重要指标，目前核电厂对蒸汽发生器疲劳敏感点的累积疲劳损伤系数评价均采用离线方式，评价耗时，且由于设计瞬态与实际瞬态之间的差异导致评价结果不能如实反映蒸汽发生器实际疲劳损伤状态，评价结果过于保守，难以为蒸汽发生器老化管理及许可证延续提供准确数据，通过蒸汽发生器在线疲劳监测装置可有效获得蒸汽发生器实际运行参数，并对实际疲劳损伤系数做出精确评估。

现有的蒸汽发生器疲劳寿命评价方式，虽然可以得到蒸汽发生器关注部位累积疲劳损伤系数，但是其输入数据来自两个部分，一是设计瞬态数据，该数据会得到较大蒸汽发生器各部件的累积疲劳损伤系数，保守裕量过大；另外一项数据来自核电厂信息系统，需通过手动方式获取与蒸汽发生器疲劳寿命相关的数据，通过有限元数值分析技术获得评价部位的应力分布状态，并依据规范要求，得到蒸汽发生器累积疲劳损伤系数结果，其中在利用手动方法获取蒸汽发生器相关数据时，由于数据量庞大，按照实际采集数据，并结合数值分析技术计算蒸汽发生器应力分布状态并不现实，需对实际数据进行包络处理，从而造成了评价结果过于保守，且数据分析处理及利用数值分析技术计算蒸汽发生器应力状态时需要花费大量的时间，效率不高。同时，利用核电厂现有的热工数据采集条件并不能获得准确的蒸汽发生器疲劳敏感部位实际温度数据，从而影响蒸汽发生器累积疲劳损伤系数的计算精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测装置及方法，解决现有蒸汽发生器疲劳寿命保守裕量大，过程耗时，精度不高等问题。

本发明的技术方案如下：一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测装置，该监测装置包括疲劳监测点温度测量装置、疲劳监测点压力测试装置、疲劳监测点应力处理模块以及监测点疲劳寿命在线分析模块，其中，疲劳监测点温度测量装置和疲劳监测点压力测试装置分别与服务器相连接，并将疲劳监测点温度测量装置监测获得蒸汽发生器疲劳监测点金属壁面及流体温度数据，以及疲劳监测点压力测试装置测量的蒸汽发生器一次侧压力和二次侧压力传输至服务器，并在服务器中处理、显示监测结果；与服务器相连接的疲劳监测点应力处理模块利用疲劳监测点温度测量装置和疲劳监测点压力测试装置测量的温度和压力参数，利用应力计算函数转换为监测点应力计算结果，并传输至与疲劳监测点应力处理模块相连接的监测点疲劳寿命在线分析模块，并利用监测点疲劳寿命在线分析模块将监测点应力数据转换为累积疲劳损伤系数，并显示任一运行周期内的蒸汽发生器各监测点疲劳寿命。

所述的疲劳监测点温度测量装置包括在蒸汽发生器疲劳敏感部位共布置12个温度计，用于测量金属壁面温度；以及在蒸汽发生器进出口管嘴、蒸汽出口管嘴及给水管嘴处布置4个温度计，用于进行流体温度测量；利用上述温度计测量蒸汽发生器特定部位的金属壁面及流体温度。

所述的疲劳监测点应力处理模块包括管板应力处理模块、一次侧进出口管嘴应力处理模块、给水管嘴应力处理模块、蒸汽出口管嘴应力处理模块以及筒体应力处理模块，上述各个应力处理模块可实现对疲劳监测点温度测量装置和疲劳监测点压力测量装置监测的不同监测点的温度与压力参数转换为相应的应力参数。

所述的管板应力处理模块利用所制定疲劳监测点温度测量装置监测的一次侧冷却剂温度与二次侧饱和蒸汽温度与监测点应力分量对照表，并通过实际温度在对照表中线性插值获得监测点实际应力数据，同时，利用疲劳监测点压力测试装置监测的一二次压力范围，制定不同压力与监测点六个应力分量的对照表，实际压力条件下的应力通过对照表的线性插值获得，再将温度载荷与压力载荷下的应力分量矢量叠加得到管板监测点的总应力参数。

所述的一次侧进出口管嘴应力处理模块、蒸汽出口管嘴应力处理模块以及筒体应力处理模块可疲劳监测点温度测量装置监测的不同位置处的温度数据周期离散后，利用一系列对应时间间隔的离散温度响应来确定温度变化的应力；对疲劳监测点压力测试装置的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得监测点的总应力参数。

所述的给水管嘴处理模块可将疲劳监测点温度测量装置的给水温度与蒸汽温度之间的温差用傅里叶级数展开，分解为平均温度、线性温度及非线性温度，并将平均温度、线性温度及非线性温度转换为相应的温度载荷下所引起的应力；给水管嘴处理模块对疲劳监测点压力测试装置的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得给水管嘴监测点的总应力参数。

一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、采集监测蒸汽发生器疲劳监测点的温度及压力；

步骤1.1、采集获得蒸汽发生器疲劳监测点的温度；

步骤1.1.1、利用温度计测量蒸汽发生器金属壁面的温度；

步骤1.1.2、利用温度及测量蒸汽发生器流体温度；

步骤1.2、采集获得蒸汽发生器一次侧压力及二次侧压力；

步骤2、利用应力计算函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为监测点应力参数；

步骤2.1、利用多组应力函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为蒸汽发生器管板处的应力参数；

步骤2.2、利用格林函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为蒸汽发生器一次侧进出口管嘴、蒸汽出口管嘴以及筒体处的应力参数；

步骤2.3、利用应力计算函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为蒸汽发生器给水管嘴处的应力参数；

步骤3、将监测点的应力数据转换为累积疲劳损伤系数，实现对蒸汽发生器各监测点疲劳寿命的监测。

所述的步骤2.1具体包括：

步骤2.1.1、制定一次侧冷却剂温度与二次侧饱和蒸汽温度与监测点应力分量对照表，并通过实际温度在对照表中线性插值获得监测点实际应力数据；

步骤2.1.2、利用监测的一二次压力范围，制定不同压力与监测点六个应力分量的对照表，实际压力条件下的应力通过对照表的线性插值获得；

步骤2.1.3、将温度载荷与压力载荷下的应力分量矢量叠加得到管板监测点总应力参数。

所述的步骤2.2具体包括：对疲劳监测点测量的温度数据按照1秒、2秒、4秒、8秒、16秒、…、2ⁿ秒周期进行离散，将一系列对应时间间隔dτ的离散温度dT的响应求和即可确定任何一个温度变化T(τ)的应力，在任一时刻t的应力由式给出，式中T为温度，τ为时间变量，f(τ)是单位温度阶跃引起的某一应力分量；对疲劳监测点的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得监测点的总应力参数；

所述的步骤2.3具体包括：将疲劳监测点温度测量装置1的给水温度与蒸汽温度之间的温差用傅里叶级数展开，分解为平均温度、线性温度及非线性温度，平均温度引起的应力为管道系统约束造成的热膨胀应力，计算表达式为σ_a＝K₂C₂D₀M_i(τ)/2I，M_i(τ)为弯矩，I是惯性矩，K₂和C₂是应力指数，线性温度项按照平面应变理论将温度转换为局部弯曲应力，计算式为式中M_ΔT＝EαΔTI/D₀，D₀为外径，ΔT为线性温度分量，I是惯性矩，E为弹性模量，α为热膨胀系数，非线性温度项应力按式σ_NL＝EαT_NL计算，E为弹性模量，α为热膨胀系数，T_NL为非线性温度项，温度载荷引起的总应力σ＝σ_a+σ_axial+σ_NL，对疲劳监测点的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得给水管嘴监测点的总应力参数；

所述的步骤1.1.1中在蒸汽发生器疲劳敏感部位共布置12个温度测点，利用温度计测量该温度测点的金属壁面温度；

所述的步骤1.1.2中在蒸汽发生器进出口管嘴、二次侧蒸汽出口管嘴及给水管嘴处布置4个温度测点，用于对流体进行温度测量；

所述的步骤3具体包括：根据ASME规范NB3200要求，将步骤2中的应力数据利用雨流法转换为应力强度循环幅，结合NB3200附录给出设计疲劳曲线得到监测点累积疲劳损伤系数，该系统既可以显示实际疲劳损伤系数，并可以按照指数函数的形式对监测点疲劳寿命做出预测，实现对蒸汽发生器各监测点在不同的运行周期内疲劳寿命的监测。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测装置及方法，通过蒸汽发生器疲劳监测部位温度及压力测量装置，可获得金属壁面及承压部件实际的温度及压力参数，利用应力计算函数表开发的蒸汽发生器管板、一次侧进出口管嘴、给水管嘴、蒸汽出口管嘴、壳体应力处理子模块监测关注部位应力数据，通过蒸汽发生器监测点疲劳寿命在线分析模块获得任一时刻下蒸汽发生器的疲劳损伤状态，该装置及方法具有高精度、高效率及在线评价等优点。

附图说明

图1为本发明所述的一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测装置结构示意图；

图中：1、疲劳监测点温度测量装置；2、疲劳监测点压力测量装置；3、服务器；4、疲劳监测点应力处理模块；5、管板应力处理模块；6、一次侧进出口管嘴应力处理模块；7、给水管嘴应力处理模块；8、蒸汽出口管嘴应力处理模块；9、筒体应力处理模块；10、监测点疲劳寿命在线分析模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测装置，包括疲劳监测点温度测量装置1、疲劳监测点压力测试装置2、疲劳监测点应力处理模块4以及监测点疲劳寿命在线分析模块10，其中，疲劳监测点温度测量装置1和疲劳监测点压力测试装置2分别于服务器3相连接，并将疲劳监测点温度测量装置1监测获得蒸汽发生器疲劳监测点金属壁面及流体温度数据，以及疲劳监测点压力测试装置2测量的蒸汽发生器一次侧压力和二次侧压力传输至服务器3，并在服务器3中处理、显示监测结果，其中，疲劳监测点温度测量装置1是利用温度计测量蒸汽发生器特定部位的金属壁面及流体温度，在蒸汽发生器疲劳敏感部位共布置12个温度测点，用于测量金属壁面温度；在蒸汽发生器进出口管嘴、蒸汽出口管嘴及给水管嘴处布置4个温度测点，用于进行流体温度测量；疲劳监测点压力测试装置2用来测量蒸汽发生器一次侧压力及二次侧压力；与服务器3相连接的疲劳监测点应力处理模块4利用疲劳监测点温度测量装置1和疲劳监测点压力测试装置2测量的温度和压力参数，利用应力计算函数转换为监测点应力计算结果，并传输至与疲劳监测点应力处理模块4相连接的监测点疲劳寿命在线分析模块10，并利用监测点疲劳寿命在线分析模块10将监测点应力数据转换为累积疲劳损伤系数，并显示任一运行周期内的蒸汽发生器各监测点疲劳寿命，其中，疲劳监测点应力处理模块4包括管板应力处理模块5、一次侧进出口管嘴应力处理模块6、给水管嘴应力处理模块7、蒸汽出口管嘴应力处理模块8以及筒体应力处理模块9，其中，管板应力处理模块5利用所制定疲劳监测点温度测量装置1监测的一次侧冷却剂温度与二次侧饱和蒸汽温度与监测点应力分量对照表，并通过实际温度在对照表中线性插值获得监测点实际应力数据，同时，利用疲劳监测点压力测试装置2监测的一二次压力范围，制定不同压力与监测点六个应力分量的对照表，实际压力条件下的应力通过对照表的线性插值获得，再将温度载荷与压力载荷下的应力分量矢量叠加得到管板监测点的总应力参数；一次侧进出口管嘴应力处理模块6、蒸汽出口管嘴应力处理模块8以及筒体应力处理模块9对疲劳监测点温度测量装置1的温度数据按照1秒、2秒、4秒、8秒、16秒等周期进行离散，将一系列对应时间间隔dτ的离散温度dT的响应求和即可确定任何一个温度变化T(τ)的应力，在任一时刻t的应力由式给出，式中T为温度，τ为时间变量，f(τ)是单位温度阶跃引起的某一应力分量，一次侧进出口管嘴应力处理模块6、蒸汽出口管嘴应力处理模块8以及筒体应力处理模块9对疲劳监测点压力测试装置2的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得监测点的总应力参数；给水管嘴应力处理模块7将疲劳监测点温度测量装置1的给水温度与蒸汽温度之间的温差用傅里叶级数展开，分解为平均温度、线性温度及非线性温度，平均温度引起的应力为管道系统约束造成的热膨胀应力，计算表达式为σ_a＝K₂C₂D₀M_i(τ)/2I，M_i(τ)为弯矩，I是惯性矩，K₂和C₂是应力指数，线性温度项按照平面应变理论将温度转换为局部弯曲应力，计算式为式中M_ΔT＝EαΔTI/D₀，D₀为外径，ΔT为线性温度分量，I是惯性矩，E为弹性模量，α为热膨胀系数，非线性温度项应力按式σ_NL＝EαT_NL计算，E为弹性模量，α为热膨胀系数，T_NL为非线性温度项，温度载荷引起的总应力σ＝σ_a+σ_axial+σ_NL，给水管嘴应力处理模块7对疲劳监测点压力测试装置2的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得给水管嘴监测点的总应力参数。

一种蒸汽发生器在线疲劳寿命监测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、采集监测蒸汽发生器疲劳监测点的温度及压力；

步骤1.1、采集获得蒸汽发生器疲劳监测点的温度；

步骤1.1.1、利用温度计测量蒸汽发生器金属壁面的温度；

在蒸汽发生器疲劳敏感部位共布置12个温度测点，利用温度计测量该温度测点的金属壁面温度；

步骤1.1.2、利用温度及测量蒸汽发生器流体温度；

在蒸汽发生器进出口管嘴、二次侧蒸汽出口管嘴及给水管嘴处布置4个温度测点，用于对流体进行温度测量；

步骤1.2、采集获得蒸汽发生器一次侧压力及二次侧压力；

步骤2、利用应力计算函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为监测点应力参数；

步骤2.1、利用多组应力函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为蒸汽发生器管板处的应力参数；

步骤2.1.1、制定一次侧冷却剂温度与二次侧饱和蒸汽温度与监测点应力分量对照表，并通过实际温度在对照表中线性插值获得监测点实际应力数据；

步骤2.1.2、利用监测的一二次压力范围，制定不同压力与监测点六个应力分量的对照表，实际压力条件下的应力通过对照表的线性插值获得；

步骤2.1.3、将温度载荷与压力载荷下的应力分量矢量叠加得到管板监测点总应力参数；

步骤2.2、利用格林函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为蒸汽发生器一次侧进出口管嘴、蒸汽出口管嘴以及筒体处的应力参数；

对疲劳监测点测量的温度数据按照1秒、2秒、4秒、8秒、16秒、…、2ⁿ秒周期进行离散，将一系列对应时间间隔dτ的离散温度dT的响应求和即可确定任何一个温度变化T(τ)的应力，在任一时刻t的应力由式给出，式中T为温度，τ为时间变量，f(τ)是单位温度阶跃引起的某一应力分量；对疲劳监测点的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得监测点的总应力参数；

步骤2.3、利用应力计算函数，将蒸汽发生器疲劳监测点采集的温度及压力参数转换为蒸汽发生器给水管嘴处的应力参数；

将疲劳监测点温度测量装置1的给水温度与蒸汽温度之间的温差用傅里叶级数展开，分解为平均温度、线性温度及非线性温度，平均温度引起的应力为管道系统约束造成的热膨胀应力，计算表达式为σ_a＝K₂C₂D₀M_i(τ)/2I，M_i(τ)为弯矩，I是惯性矩，K₂和C₂是应力指数，线性温度项按照平面应变理论将温度转换为局部弯曲应力，计算式为式中M_ΔT＝EαΔTI/D₀，D₀为外径，ΔT为线性温度分量，I是惯性矩，E为弹性模量，α为热膨胀系数，非线性温度项应力按式σ_NL＝EαT_NL计算，E为弹性模量，α为热膨胀系数，T_NL为非线性温度项，温度载荷引起的总应力σ＝σ_a+σ_axial+σ_NL，对疲劳监测点的压力载荷乘以1MPa压力下的监测应力，与温度载荷下的应力进行矢量叠加获得给水管嘴监测点的总应力参数；

步骤3、将监测点的应力数据转换为累积疲劳损伤系数，实现对蒸汽发生器各监测点疲劳寿命的监测；

根据ASME规范NB3200要求，将步骤2中的应力数据利用雨流法转换为应力强度循环幅，结合NB3200附录给出设计疲劳曲线得到监测点累积疲劳损伤系数，该系统既可以显示实际疲劳损伤系数，并可以按照指数函数的形式对监测点疲劳寿命做出预测，实现对蒸汽发生器各监测点在不同的运行周期内疲劳寿命的监测。