Argonne开发给水加热器管寿命预测模型

Argonne美国国家实验室的研究人员开发了一种多物理场仿真建模工具，用于预测核电站给水加热器（FWH）管随时间的退化情况。该模型有潜力改进维护计划并节省核设施的运行成本，相关研究在近期《工程失效分析》期刊上发表的一篇题为“给水加热器管疲劳失效的数值分析与实验验证”的论文中进行了描述。

典型的核电站约有30根给水加热器管，水在进入反应堆前在此进行预热。这些管道会因反复的冷却和满负荷运行循环而逐渐出现应变迹象，操作人员必须手动检查管道以确定是否需要维修。此类检查成本高昂、劳动密集，且缺乏检测早期退化迹象或具体位置的精度。

多物理场模型与框架：为解决这一复杂问题，Argonne的研究人员首先创建了一个结合流体力学、凝结、固体力学和累积损伤理论的多物理场仿真模型。该模型使他们能够确定给水加热器管维护的最佳时机。

随后，他们利用该模型开发了一种可供操作人员使用的框架。该框架将仿真结果与实际检查数据相结合，揭示了给水加热器管的预期功能寿命约为29年。该框架还识别出管道上需要关注的具体应力部位。

仿真和模型的发现已通过来自运行中核电站的真实实验检查数据和管道更换历史得到验证。据该论文第一作者、Argonne学者兼核工程师Yeni Li表示：“复杂仿真最困难的部分是验证。验证仿真的关键在于实验数据。只有在Argonne，我们才能找到集中在一个领域的技能来完成这项工作。”

框架与分析的应用：Argonne团队开发的建模框架可扩展应用于核电站，使操作人员能够制定预测性维护计划、确定维护行动的优先级，并在反应堆退化区域出现问题之前识别关键区域。通过这些方式，该框架可用于提高核电站的可靠性和安全性。

此外，他们发现“该分析方法也可作为设计和评估新型热交换器概念的重要工具。例如，利用核反应堆热量为吸热工业过程供能日益受到关注，这给热交换器设计带来了新的挑战……本工作提出的方法可通过预测新型热交换器设计在其预期使用寿命内将遇到的机械应力，并确认工况循环事件的损伤水平在允许限度内，从而加快设计进程，然后再将设计投入鉴定试验。”

行业需求：Argonne高级核工程师兼论文合著者Richard Vilim表示：“这正是行业所寻找的。发电站按照固定的维护计划运行，计划外维护成本高昂……目前尚无现有技术能提供这一关键信息。”

ANL智能系统组经理、论文合著者Akshay Dave补充道：“这项工作对目前处于设计阶段的下一代先进反应堆具有重大前景，我们的见解可能极具价值。”