核電廠汽動(dòng)給水泵進(jìn)出口管道振動(dòng)原因分析及解決對(duì)策

□ 黃 哲

一、引言

汽水管道的振動(dòng)對(duì)于發(fā)電廠來(lái)說(shuō)是一種普遍現(xiàn)象，管道的長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致管道材料以及焊口的疲勞損壞，并會(huì)將振動(dòng)傳至支吊架上或者相連接的設(shè)備上，對(duì)管系的安全性穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。管道工作的可靠性對(duì)電廠運(yùn)行的安全性影響很大，對(duì)核電站來(lái)說(shuō)尤其重要。如某核電廠M310機(jī)組蒸汽發(fā)生器輔助給水系統(tǒng)汽動(dòng)泵熱試第一階段發(fā)生了泵體進(jìn)出口管道劇烈振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，并且運(yùn)行聲響非常劇烈，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全運(yùn)行。管道系統(tǒng)是核電站機(jī)組的重要組成部分，核電站的安全運(yùn)行非常重要。對(duì)核電站的管道振動(dòng)來(lái)說(shuō)必須進(jìn)行深入分析解決，通過(guò)分析振動(dòng)的起因并提出有效的解決辦法，從而有效改善核電站管系振動(dòng)問(wèn)題。

二、管道振動(dòng)原因分析

管系的振動(dòng)原因一般可分為兩類(lèi)。一是管道系統(tǒng)自身的振動(dòng)，在管系中與管道相連的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，例如壓縮機(jī)、泵等由于在運(yùn)行中產(chǎn)生設(shè)備自身的振動(dòng)傳至管系上;二是在管系運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)流體介質(zhì)通過(guò)彎頭、閥門(mén)等管件時(shí)發(fā)生流體湍流流動(dòng)從而引發(fā)管道振動(dòng);三是外界環(huán)境對(duì)管系的影響引發(fā)振動(dòng)，地震荷載、風(fēng)荷載等［2］。其中前兩種原因是影響管道振動(dòng)的最主要原因。

(一)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備本身引起的振動(dòng)。在管系中如果有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備直接與管道連接，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備發(fā)生振動(dòng)時(shí)，會(huì)將振動(dòng)力直接傳到該管道上，導(dǎo)致管道產(chǎn)生振動(dòng)。

(二)管道內(nèi)流體湍流引起的振動(dòng)。當(dāng)管道內(nèi)流體介質(zhì)通過(guò)彎頭、閥門(mén)、變徑管等管件時(shí)，產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，從而引發(fā)管道振動(dòng)。如果該振動(dòng)與管道的固有頻率重合時(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，將會(huì)給管系帶來(lái)巨大破壞。

(三)外界因素引發(fā)振動(dòng)。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化如地震、海嘯、強(qiáng)風(fēng)等，為管系附加一個(gè)不穩(wěn)定外力，管道受外力的影響發(fā)生激烈振動(dòng)，甚至破壞管系。

三、電廠管道振動(dòng)消除措施

根據(jù)管道振動(dòng)的基本方程［1］(MX+CX+KX=F式中，M、C與K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;F為激振力。)解決核電站管道振動(dòng)方法可分為以下三種:

(一)改變管系總體質(zhì)量。當(dāng)流體介質(zhì)、壓力、溫度確定時(shí)管系的基本參數(shù)已固定。不提倡用該方法解決。

(二)改變管系剛度。方法有:一是更換厚壁管，或者在保證管系熱脹應(yīng)力的許可范圍內(nèi)的前提下盡可能縮短管線(xiàn)，減少?gòu)濐^，以提高管線(xiàn)自身的剛度。二是有針對(duì)性地增設(shè)限位支架、剛性支架等裝置，縮小支吊點(diǎn)的間距。要實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，需對(duì)管系支架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)布置。

(三)改變管系的阻尼。通過(guò)計(jì)算在管系位移較大處加裝阻尼裝置，以吸收管道的沖擊力，減少管道振動(dòng)。

因而解決核電站管道振動(dòng)最簡(jiǎn)單有效的方式是改變管系的剛度和改變管系阻尼。改變管系剛度可以提高管系固有頻率，在管系中加裝阻尼可以有效減少管系的沖擊力從而降低管道振動(dòng)。

四、核電站輔助給水系統(tǒng)汽動(dòng)泵管道振動(dòng)治理

(一)輔助給水系統(tǒng)的功能、安全功能介紹以及治理振動(dòng)的必要性。輔助給水系統(tǒng)(ASG)作為正常給水系統(tǒng)的備用，在喪失主給水系統(tǒng)時(shí)，向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)提供給水。輔助給水系統(tǒng)屬于專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施。在任何一項(xiàng)正常給水系統(tǒng)(電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)、啟動(dòng)給水系統(tǒng))發(fā)生事故時(shí)，輔助給水系統(tǒng)運(yùn)行，導(dǎo)出堆芯余熱，直到反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)達(dá)到余熱排除系統(tǒng)可投入的狀態(tài)。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的熱量通過(guò)由輔助給水系統(tǒng)供水的蒸汽發(fā)生器傳給二回路系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽;二回路系統(tǒng)蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)排入凝汽器或排向大氣。由此可見(jiàn)輔助給水系統(tǒng)在核電廠發(fā)生事故時(shí)的重要性，發(fā)生管道振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)管道威脅很大，因此必須徹底進(jìn)行治理。

(二)振動(dòng)測(cè)量及計(jì)算過(guò)程。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，確定振動(dòng)測(cè)試位置分別為圖1、圖2中所示測(cè)點(diǎn)位置。主要以測(cè)試管道振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移。

為了達(dá)到測(cè)量效果，分別采取兩種流量負(fù)荷測(cè)量。一是小流量運(yùn)行。給水泵出口通過(guò)旁路低負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行，給水流量大約為25t/h。二是額定流量運(yùn)行。額定負(fù)荷運(yùn)行，給水流量大約為100 t/h。管道振動(dòng)如表1所示。

表1 治理前輔助給水泵管道振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)記錄表(mm/s速度峰值VP)

圖1 給水泵進(jìn)口管道布置示意圖

圖2 給水泵出口管道布置示意圖

表2 治理后輔助給水泵管道振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)記錄表(mm/s速度峰值VP)

利用力學(xué)計(jì)算進(jìn)行分析，計(jì)算正常運(yùn)行狀態(tài)下管道的熱態(tài)應(yīng)力，校核靜態(tài)工作應(yīng)力;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、管道靜態(tài)應(yīng)力分析計(jì)算管道振動(dòng)模態(tài)分析制定管道振動(dòng)治理方案。管道模型圖1、圖2所示。

通過(guò)模態(tài)分析得出管道上設(shè)置的固定支架及限位支架少，導(dǎo)致管道整體的固有頻率偏低，在流體通過(guò)彎頭以及管道上附件時(shí)產(chǎn)生了較強(qiáng)的擾動(dòng)，增加了管系的激振力，流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

(三)治理方法?？紤]到管道走向已經(jīng)固定，核電阻尼器采購(gòu)時(shí)間較長(zhǎng)、價(jià)格昂貴等原因，應(yīng)從管道微振動(dòng)方程方面考慮解決措施，最好是從改變管道剛度來(lái)解決震動(dòng)問(wèn)題。治理方案是在兩臺(tái)泵入口彎頭處增加剛性支架，在測(cè)點(diǎn)4、6、8處增設(shè)限位支架。增加支架后對(duì)該管道重新進(jìn)行計(jì)算分析，從計(jì)算結(jié)果可知在保證熱態(tài)應(yīng)力沒(méi)有顯著變化的前提下，使管系的固有頻率已經(jīng)有了明顯提高，從而提升管道剛度，證明該方案可行。

(四)管道減振效果驗(yàn)證。為了驗(yàn)證治理結(jié)果，給水泵采用與治理前相同的流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。給水泵進(jìn)出口管道僅存在很小的振動(dòng)現(xiàn)象，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，給水泵振動(dòng)符合要求(測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2)。減振方案實(shí)施成功，治理效果明顯，達(dá)到了治理目的。

五、結(jié)語(yǔ)

核電站管道振動(dòng)對(duì)電廠運(yùn)行的安全性影響很大。通過(guò)對(duì)某M310堆型核電站蒸汽發(fā)生器輔助給水泵管道振動(dòng)治理實(shí)例分析，得出消減和解決管道振動(dòng)問(wèn)題的一些方法，為我國(guó)目前在運(yùn)行核電機(jī)組提供減少管道振動(dòng)的參考。根據(jù)電廠汽水管道系統(tǒng)振動(dòng)影響因素和治理方法可得出如下結(jié)論:

第一，在管道設(shè)計(jì)中管道的走向以及管材的選擇對(duì)管系的振動(dòng)影響很大。流體介質(zhì)流經(jīng)管道部件時(shí)會(huì)產(chǎn)生湍流現(xiàn)象進(jìn)而引發(fā)管道的振動(dòng)，因此在泵進(jìn)出口管道應(yīng)盡量避免和減少?gòu)濐^的使用，尤其是盡量減少大角度彎頭的使用。

第二，在解決現(xiàn)運(yùn)行機(jī)組管道振動(dòng)問(wèn)題，改變發(fā)電廠汽水管道振動(dòng)固有特性是最簡(jiǎn)單有效的方法。核電站管道系統(tǒng)多采用阻尼器和增加限位支架，以增強(qiáng)管道的抗振能力。

第三，支吊架的合理使用對(duì)解決管系振動(dòng)具有很大作用。由于給水泵本身具有振動(dòng)，進(jìn)出口管道容易產(chǎn)生較強(qiáng)的激振力，在設(shè)計(jì)中要綜合實(shí)際情況對(duì)泵進(jìn)出口管道剛度的增強(qiáng)，從而盡量避免管道振動(dòng)帶來(lái)是危害。

［1］邢景偉，趙星海，辛國(guó)華.電廠汽水管道振動(dòng)分析及解決對(duì)策［J］.能源研究與信息，2012

［2］GB/T17116.1-1997.管道支吊架第一部分:技術(shù)規(guī)范［S］