In the SG (steam generator) of PWR (pressurized water reactor) for a nuclear plant, hundreds of U-shaped tubes are used for the heat exchanger system. They interact with primary pressurized cooling water flow, generating flow-induced vibration in the secondary flow region. A simplified U-tube model is proposed in this study to apply for experiment and its counterpart computation. Using the commercial code, ANSYS-CFX, we first verified the Moody chart, comparing the straight pipe theory with the results derived from CFD (computational fluid dynamics) analysis. Considering the virtual mass of fluid, we computed the major modes with the low natural frequencies through the comparison with impact hammer test, and then investigated the effect of pump flow in the frequency domain using FFT (fast Fourier transform) analysis of the experimental data. Using two-way fluid-structure interaction module in the CFD code, we studied the influence on mean flow rate to generate the displacement data. A feasible CFD method has been setup in this research that could be applied potentially in the field of nuclear thermal-hydraulics.
Various types of integrated steam generators, which integrate IHTS and a steam generator into a single unit of equipment for an LMR, were analyzed using an analytic solution with some simplification. The analysis showed that the undesirable reversed heat transfer, of which occurrence was previously observed only in an integrated single-region bundle type, can also occur in an integrated double-region bundle type. The mechanism of the reversed heat transfer occurrence in the double-region type is explained and it is shown the mechanism in the double-region type is completely different from that in the single-region type. Based on this finding, a method for preventing the aforementioned heat transfer is suggested. The performance of the four types of the integrated steam generators is assessed. For this assessment, a SG is actually designed for each type and the optimization in the geometric parameters and flow rate are optimized.
In a sudden shutdown of primary pump or coolant loss accident in a marine nuclear power plant, the primary flow decreases rapidly in a transition process from forced circulation (FC) to natural circulation (NC), and the lower flow enters the steam generator (SG) causing reverse flow in the U-tube. This can significantly compromise the safety of nuclear power plants. Based on the marine natural circulation steam generator (NCSG), an experimental loop is constructed to study the characteristics of reverse flow under middle-temperature and middle-pressure conditions. The transition from FC to NC is simulated experimentally, and the characteristics of SG reverse flow are studied. On this basis, the experimental loop is numerically modeled using RELAP5/MOD3.3 code for system analysis, and the accuracy of the model is verified according to the experimental data. The influence of the flow variation rate on the reverse flow phenomenon and flow distribution is investigated. The experimental and numerical results show that in comparison with the case of adjusting the mass flow discontinuously, the number of reverse flow tubes increases significantly during the transition from FC to NC, and the reverse flow has a more severe impact on the operating characteristics of the SG. With the increase of flow variation rate, the reverse flow is less likely to occur. The mass flow in the reverse flow U-tubes increases at first and then decreases. When the system is approximately stable, the reverse flow is slightly lower than obverse flow in the same U-tube, while the flow in the obverse flow U-tube increases.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.7
no.3
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pp.61-66
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2011
The integrity of the SG(Steam Generator) tubes has been challenged by numerous factors such as flaws, operation, atmosphere, inherently degraded materials, loose parts and even human errors. Of the factors, loose parts(or foreign materials) on the secondary side of the tubes can bring about volumetric defects and even leakage from the primary to the secondary side in a short period of time. More serious concerns about the loose parts are their unknown influx path and rapid growth rate of the defects affected by the loose parts. Therefore it is imperative to detect and characterize the foreign materials and the defects. As a part of the measures for loose part detection, TTS(Top of Tubesheet) MRPC(Motorized Rotating Pancake Coils) ECT has been carried out especially to the restricted high probability area of the loose part. However, in the presence of loose parts in the other areas, wide range loose part detection techniques are required. In this study, loose part standard tube was presented as a way to accurately detect and characterize loose part signals. And the SG tube ECT bobbin coil and MRPC ISI(In-service Inspection) data of domestic OPR-1000 and Westinghouse Model F(W_F) were reviewed and consequently, comprehensive loose part detection technique is derived especially by applying bobbin coil signals
Kim, Dong-Jin;Hwang, Seong Sik;Kim, Joung Soo;Kim, Hong Pyo
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.5
no.2
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pp.1-6
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2009
Nuclear power plants (NPP) using Alloy 600 (Ni 75wt%, Cr 15wt%, Fe 10wt%) as a heat exchanger tube of the steam generator (SG) have experienced various corrosion problems by ageing such as pitting, intergranular attack (IGA) and stress corrosion cracking (SCC). In spite of much effort to reduce the material degradations, SCC is still one of important problems to overcome. Especially lead is known to be one of the most deleterious species in the secondary system that cause SCC of the alloy. Even Alloy 690 (Ni 60wt%, Cr 30wt%, Fe 10wt%) as an alternative of Alloy 600 because of outstanding superiority to SCC is also susceptible to leaded environment. An oxide on SG tubing materials such as Alloy 600 and Alloy 690 is formed and modified expanding to complex sludge throughout hideout return (HOR) of various impurities including Pb. Oxide formation and breakdown is requisite for SCC initiation and propagation. Therefore it is expected that an oxide property such as a passivity of an oxide formed on steam generator tubing materials is deeply related to PbSCC and an inhibitor to hinder oxide modification by lead efficiently can be found. In the present work, the SCC susceptibility obtained by using a slow strain rate test (SSRT) in aqueous solutions with and without lead was discussed in view of the oxide property. The oxides formed on Alloy 600 and Alloy 690 in aqueous solutions with and without lead were examined by using a transmission electron microscopy (TEM), an energy dispersive x-ray spectroscopy (EDXS), an x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and an electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
A new practical modeling of the Norton's power law creep is proposed and implemented to analyze the high temperature behaviors of Alloy 690 SG tube material. In the model, both the stress exponent n and the rate constant B are simply treated as the temperature dependent parameters. Based on the two-step optimization procedure, the temperature function of the rate constant B(T) was determined for the data set of each B value after fixing the stress exponent n value by using the prior optimized function at each temperature. This procedure could significantly reduce the numerical errors when using the power law creep equations. Based on the better description of the steady-state creep rates, the experimental rupture times could also be well predicted by using the Monkman-Grant relationship. Furthermore, the difference in tensile strengths at high temperatures could be very well estimated by assuming the imaginary creep stress related to the given strain rate after correcting the temperature effects on the elastic modulus.
As a major type of heat exchanger, the steam generator (SG) produces steam from heat energy of a nuclear power plant reactor. The steam produced by the steam generator flows into a turbine, and plays an important role in electric power generation. The heat transfer tubes in the steam generator consist of approximately 10,000 U-shaped tubes, which perform a structural role and act as thermal boundaries. The heat transfer tubes conduct the thermal energy between the primary coolant (about $320^{\circ}C$, $157kgf/cm^2$) obtained from the reactor and the secondary coolant (about $260^{\circ}C$, $60kgf/cm^2$) as part of the secondary system. Recently, the heat transfer tubes in the steam generator of the pressurized water reactor (PWR) are primarily produced from Alloy 600 and Alloy 690 seamless tubes. As a pilot study to find process parameters for the cold U-bending process using rotary draw bending, numerical and experimental investigations were conducted to produce U-shaped tubes from long straight SUS304L seamless tubes. 3D finite element simulations were run using ABAQUS Explicit with consideration of the elastic recovery. The process parameters studied were the angular speed, the operation period and the bending angle. Experimental verifications were conducted to insure the suitability of the final U-shaped configurations with respect to both ovality and wall thickness.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.6
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pp.655-662
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2014
This study conducted tensile tests on an Alloy 690TT tube at room temperature (RT) and at $343^{\circ}C$ using tube- and ring-type specimens to investigate the stress-strain behavior and tensile properties of a steam generator (SG) tube in the axial and circumferential directions at RT and at the design temperature of a nuclear power plant (NPP). The results of the axial tensile test showed that yield point phenomena appeared at both RT and $343^{\circ}C$, and serrated flow in the stress-strain curve appeared at $343^{\circ}C$. Yield and tensile strengths for both directions were clearly lower at $343^{\circ}C$ compared to RT; however, the elongations were approximately the same at both test temperatures. Regardless of the test temperature, the strengths in the circumferential direction were lower by approximately 5~10 % than those in the axial direction. In addition, the test data revealed that the reduction in the yield and tensile strengths of the Alloy 690TT SG tube with the test temperature was more significant than that estimated by the temperature correction factor of ASME Sec.II.
Fluid-elastic instability and turbulence-induced vibration of steam generator U-tubes of a nuclear power plant are studied numerically to investigate the effect of design changes of support structures in the upper region of the tubes. Two steam generator models, Model A and Model B, are considered in this study. The main design features of both models are identical except for the conditions of vertical and horizontal support bars. The location and number of vertical and horizontal support bars at the middle of the U-bend region in Model A differs from that of Model B. The stability ratio and the amplitude of turbulence-induced vibration are calculated by a computer program based on the ASME code. The mode shape with a large modal displacement at the upper region of the U-tube is the key parameter related to the fretting wear between the tube and its support structures, such as vertical, horizontal, and diagonal support bars. Therefore, the location and the number of vertical and horizontal support bars have a great influence on the fretting wear mechanism. The variation in the stability ratios for each vibrational mode is compared with respect to Model A and Model B. Even though both models satisfy the design criteria, Model A shows substantial improvements over Model B, particularly in terms of having greater amplitude margins in the turbulence-excited vibration (especially at the inner region of the tube bundle) and better stability ratios for the fluid-elastic instability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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