Tube oscillation behaviour is experimentally investigated for the study on the fuel rod fretting that is caused by the flow-induced vibration in nuclear reactor. The experiment was conducted in all at room temperature. The specimen of tube assembly was supported by plate springs which simulated the spacer grids and fuel rods of a fuel assembly. To investigate the influence of contact condition between the grids and rods, normal load of 10 and 5 N, gaps of 0.1 and 0.3 mm were applied. The range of the oscillation at the center of the fuel rod specimen was varied as 0.2, 0.3 and 0.4 mm to simulate the fuel rod vibration due to flow. Displacements near the contact were measured with four displacement sensors during the tube oscillation. As results, the shape of oscillation (phase) varied depending on the contact condition. The oscillation displacement increased considerably from the contact to gap condition. The displacement increased further as the gap size increased. It is regarded that the spring shape influences the tube oscillation behaviour. Simple calculation showed that the slip displacement was very small. Therefore, cumulative damage concept is necessary for the fuel rod wear. The mechanism of plowing is thought required to explain the severe wear in the case of gap existence.
Kim, Hyung-Kyu;Lee, Young-Ho;Heo, Sung-Pil;Jung, Youn-Ho
KSTLE International Journal
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제4권1호
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pp.8-13
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2003
Abrasion in fretting wear mechanism is studied experimentally with the specimens of two different shapes of spacer grid spring and fuel tubes of a nuclear fuel. Reciprocating sliding wear test has been carried out in the environment of air and water at room temperature. Especially, third body abrasion is referred to for explaining the wear region expansion found during the slip displacement increase with constant normal contact farce. It is found that the expansion behaviour depends on the contact shape. The small clearance between the tube and spring seems to be the preferable region of the wear particle accumulation, which causes third body abrasion of the non-contact area. Even in water environment the third body abrasion occurs apparently. Since the abrasion on the clearance contributes wear volume, the influence of the contact shape on the severity of third body abrasion should be considered to improve the grid spring design in the point of restraining wear damage of a nuclear fuel.
한국윤활학회 2002년도 proceedings of the second asia international conference on tribology
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pp.465-466
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2002
In any mechanical system consisting of gears, shafts and/or bearings, the majority of metallic particles deposited into and carried by the lubrication system originate from the deterioration of oil-wetted working surfaces, even in proper lubrication system, due to failure mechanism (s) such as wear, fatigue and fretting corrosion. Determination of the point at which transition from normal to abnormal or to actual damage occurs has become a focus of attention in research activities for years, because it has been recognized that reliable, economic operation can be achieved through appropriate preventative measures. Known collectively from 'all size wear debris analysis' as early failure detection, the methods of testing for damage differ considerably, range from a micron or a submicron size debris analysis to Magnetic Chip Detector (MCD) ferrous debris analysis. This paper will be focused on the utilization of the low-cost analysis techniques for evaluation of industrial machinery condition.
The interaction between wear and corrosion can significantly increase total material losses in water chemistry environment. The corrosive wear tests of a PWR steam generator tube material (Alloy 690) against the anti vibration bar material (409 SS) were performed at room temperature. The tests were performed in alkaline water chemistry conditions. NaOH solution was selected for test condition to investigate the corrosive wear effect of steam generator tube material in alkaline pH condition without other factors. The flow induced vibration can caused tube damage and the corrosion can be occurred by water chemistry. The test results showed that, in the alkaline solution at pH 13.9, the corrosion current density was increased about ten times than that in the distilled water. And wear rate at pH 13.9 was increased about ten times from that at neutral condition. However, the wear rate was decreased with time. The decrease would be attributed to the change in roughness of specimen or sub-layer of the worn surface with time. From microstructure observation, severe abrasive shape and several wear debris were found. From those results, it could infer that the oxide film on Alloy 690 changed to easily breakable one in the alkaline water, and then abrasion with corrosion became the main wear mechanism.
Flow-Induced Vibration of steam generator tubes may result in fretting wear damage at the tube-to-support locations. KSNP(Korean Standard Nuclear Power plant) steam generators experienced fretting wear in the upper part of U-bend above the central cavity region of steam generators. This region has conditions susceptible to the flow-induced vibration, such as high flow velocity, high void fraction, and longer unsupported span. To improve its performance, APR1400 steam generator is designed with additional supports in this region to reduce unsupported span and to reduce peak velocity in the central cavity region. In this paper, we examined its performance improvement using ATHOS code. The thermal-hydraulic condition in the region of secondary side of APR1400 steam generator is obtained using the ATHOS3 code. The effective mass for modal analysis is calculated using the void fraction, enthalpy, and operating pressure information from ATHOS3 code result. With the effective mass distribution along the tube, natural frequency and mode shape is obtained using ANSYS code. Finally, stability ratios and real mean squared displacements for selected tubes of the APR1400 steam generator are computed. From these results, the current design of the APR1400 steam generator are examined.
Anisotropic distribution of the turbulent kinetic energy and the near-field excitations are the main causes of the steady state Flow-Induced Vibration (FIV) which could lead to fretting wear damage in vertically arranged supported slender rods. In this article, a combined Computational Fluid Dynamics (CFD) and Computational Structural Mechanic (CSM) approach named two-way Fluid-Structure Interaction (FSI) is used to investigate the modal characteristics of a typical rod's vibration. Performance of an Unsteady Reynolds-Average Navier-Stokes (URANS) and Large Eddy Simulation (LES) turbulence models on asymmetric fluctuations of the flow field are investigated. Using the LES turbulence model, any large deformation damps into a weak oscillation which remains in the system. However, it is challenging to use LES in two-way FSI problems from fluid domain discretization point of view which is investigated in this article as the innovation. It is concluded that the near-wall meshes whiten the viscous sub-layer is of great importance to estimate the Root Mean Square (RMS) of FIV amplitude correctly as a significant fretting wear parameter otherwise it merely computes the frequency of FIV.
지지격자체는 경수로 핵연료집합체의 특성과 성능에 영향을 주는 가장 중요한 핵심 구조부품 중에 하나이다. 지지격자체 설계시의 우선적으로 고려해야할 사항은 핵연료가 원자로에 장전되어 있는 동안 내내 연료봉이 기계적인 원인에 의해 손상되지 않도록, 즉 연료봉의 기계적 지지건전성이 유지되도록 설계하는 것이다. 연료봉이 유동기인진동에 의해서 진동할 때 연료봉과 연료봉 지지부 사이에서 상대변위 발생을 완화해 줌으로서 연료봉의 프레팅 마모 손상 가능성이 감소될 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이동 가능한 연료봉 지지부로 구성된 새로운 지지격자체 형상을 제안하였고, 제안된 이동 가능 지지부의 연료봉 지지특성을 유한요소해석을 통해 분석하였다.
지지격자체는 경수로 핵연료집합체의 가장 중요한 핵심 구조부품이다. 지지격자체 설계시의 고려사항은 원자로 운전중에 연료봉의 지지건전성을 유지하도록 하는 것이다. 본 연구에서는 연료봉이 유동기인진동에 의해서 진동할 때 연료봉과 연료봉 지지부 사이에서 상대변위를 완화해 줌으로서 연료봉의 프레팅 마모손상 가능성을 감소시킬 수 있는 이동 가능한 연료봉 지지부로 구성된 새로운 지지격자체 형상을 제안하였다. 아울러 제안된 이동 가능 지지부의 연료봉 지지특성을 유한요소해석을 통해 분석하였다.
The structural integrity of tube bundles represents a major concern when dealing with high risk industries, such as nuclear steam generators, where the rupture of a tube or tubes will lead to the undesired mixing of the primary and secondary fluids. Flow-induced vibration is one of the major concerns that could compromise the structural integrity. The vibration is caused by fluid flow excitation. While there are several excitation mechanisms that could contribute to these vibrations, fluidelastic instability is generally regarded as the most severe. When this mechanism prevails, it could cause serious damage to tube arrays in a very short period of time. The tubes are therefore stiffened by means of supports to avoid these vibrations. To accommodate the thermal expansion of the tube, as well as to facilitate the installation of these tube bundles, clearances are allowed between the tubes and their supports. Progressive tube wear and chemical cleaning gradually increases the clearances between the tubes and their supports, which can lead to more frequent and severe tube/support impact and rubbing. These increased impacts can lead to tube damage due to fatigue and/or wear at the support locations. This paper presents simulations of a loosely supported multi-span U-bend tube subjected to turbulence and fluidelastic instability forces. The mathematical model for the loosely-supported tubes and the fluidelastic instability model is presented. The model is then utilized to simulate the nonlinear response of a U-bend tube with flat bar supports subjected to cross-flow. The effect of the support clearance as well as the support offset are investigated. Special attention is given to the tube/support interaction parameters that affect wear, such as impact and normal work rate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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