核電廠管道振動(dòng)原因分析及對(duì)策

胡士光，沈小要

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 工程設(shè)備所，上海 200233）

核電廠管道振動(dòng)原因分析及對(duì)策

胡士光，沈小要

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 工程設(shè)備所，上海 200233）

管道是核電廠主要的組成部份。核電廠管道的振動(dòng)往往引起管道的振動(dòng)疲勞，長期積累致使管道開裂，嚴(yán)重時(shí)核電廠被迫停堆檢修，甚至造成災(zāi)難性事故。為了減少此類事件的發(fā)生，本文總結(jié)了誘發(fā)核電廠管道振動(dòng)的主要原因，有旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)、水錘、流體脈動(dòng)、氣蝕、氣液兩相流、風(fēng)載荷、地震載荷和人為誤差等幾種，并列舉了相關(guān)事件案例，提出了常見的整改方案。本文旨在為核電廠管道的設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)與整改等工作提供必要的參考依據(jù)。

振動(dòng)與波；核電廠；管道；原因分析；整改

振動(dòng)是核電廠管道失效的一個(gè)主要原因，嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)多起事故，被迫停堆檢修。1986年美國Surry核電廠二回路高能碳鋼管線振動(dòng)誘發(fā)泄露，引起人員傷亡事故[1]；1987年12月，美國Farley核電站2號(hào)機(jī)高壓安注管線振動(dòng)開裂，誘發(fā)泄露事故；1988年6月，美國Genkai核電站余熱去除系統(tǒng)與主管道相接管線發(fā)生振動(dòng)開裂；1995年9月，美國三里島核電站1號(hào)機(jī)主管道冷段疏水管振動(dòng)開裂[2]。此外，美國電力研究院統(tǒng)計(jì)，1970—1999年間，全球核電廠管道由于振動(dòng)誘發(fā)的失效的案例有54起[3]。1991年，法國Belleville核電廠2號(hào)機(jī)組安全注入系統(tǒng)（RIS）2個(gè)小支管焊縫發(fā)生振動(dòng)開裂，法國電力公司（EDF）同類CPY機(jī)組也曾發(fā)生類似焊縫振動(dòng)開裂事件[4]。2003年6月，秦山地區(qū)某核電站1號(hào)機(jī)組穩(wěn)壓器噴淋管線在靠近穩(wěn)壓器進(jìn)口管嘴附近發(fā)生振動(dòng)開裂，2013年2月，2號(hào)機(jī)組該管線同類位置也發(fā)生了振動(dòng)開裂[5]。振動(dòng)導(dǎo)致管道疲勞開裂，嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)泄露，造成停堆檢修，所以核電廠振動(dòng)問題已經(jīng)引起國內(nèi)外研究人員的廣泛重視[6,7]。本文將針對(duì)核電廠現(xiàn)場中常見的失效案例，總結(jié)管道振動(dòng)的主要原因，為核電廠的建設(shè)和現(xiàn)場的整改施工，提供必要的理論指導(dǎo)。

1 旋轉(zhuǎn)設(shè)備誘發(fā)的振動(dòng)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備，傳遞給與之相連的管道上的激振力是管道振動(dòng)的主要激勵(lì)源之一。對(duì)于秦山600 MW核電廠1號(hào)機(jī)組的16個(gè)系統(tǒng)228個(gè)點(diǎn)位的管道振動(dòng)進(jìn)行測量，其中6.6%點(diǎn)位的振動(dòng)超限，在2號(hào)機(jī)組16個(gè)系統(tǒng)167個(gè)點(diǎn)位中，有4.2%的點(diǎn)位超限，主要在設(shè)冷水系統(tǒng)，而與它們相連的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中有10%的振動(dòng)略大，為C級(jí)[6]。大亞灣和嶺澳核電站投運(yùn)以來，冷凝泵多次發(fā)生振動(dòng)高報(bào)警，啟動(dòng)后管系振動(dòng)大[8]。

核電廠實(shí)際運(yùn)行階段發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)的原因，大多數(shù)來源于地面基礎(chǔ)剛度不足、軸承磨損、質(zhì)量偏心、樓面剛度不足以及動(dòng)平衡等。另外，核電廠中旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備所用的材料不均勻、制造過程存在的誤差、旋轉(zhuǎn)過程中受到磨損以及外界的腐蝕作用等，會(huì)使旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中重心偏離正常軸線。

旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)在核電廠廣受關(guān)注，除了其自身振動(dòng)超標(biāo)，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)也往往會(huì)引起管道的振動(dòng)，引起疲勞開裂，嚴(yán)重時(shí)造成災(zāi)難性事故。為了減少旋轉(zhuǎn)設(shè)備導(dǎo)致的振動(dòng)，需要從旋轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝方面做好工作。在上述2號(hào)機(jī)組16個(gè)系統(tǒng)167個(gè)點(diǎn)位中，經(jīng)過對(duì)相連旋轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)改進(jìn)后，振動(dòng)有明顯下降，全部滿足要求[6]。

2 流體脈動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)

管道內(nèi)流體參數(shù)（壓力、速度、密度等）隨時(shí)間、位置呈周期性變化的現(xiàn)象稱為“流體脈動(dòng)”，內(nèi)部的流體輸送是通過泵對(duì)其進(jìn)行間歇式加壓實(shí)現(xiàn)。由于這種間歇式的加壓方式，管道內(nèi)部的流體壓力在某一穩(wěn)定值上下脈動(dòng)，當(dāng)處于脈動(dòng)狀態(tài)的流體流經(jīng)彎管、異徑管、調(diào)節(jié)閥、節(jié)流孔板等管道部件時(shí)，產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，引起管道及其附屬設(shè)備發(fā)生振動(dòng)[9]。實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)遇到由于流體脈動(dòng)作用而誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)損傷。謝永城[10]等發(fā)現(xiàn)在主蒸汽旁排閥一般情況下，振幅為0.325 mm，當(dāng)旁排閥處于某一開度時(shí)，振動(dòng)會(huì)劇增至5.7 mm，這也是高速蒸汽流引起管道共振。又如核級(jí)熱交換器是核輔助系統(tǒng)的重要設(shè)備，其殼側(cè)流體引起傳熱管的振動(dòng)，會(huì)使傳熱管產(chǎn)生疲勞破壞。據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，將近有40%多的核電廠發(fā)生蒸汽發(fā)生器和熱交換器傳熱管的振動(dòng)疲勞破壞事故，導(dǎo)致計(jì)劃外停堆。另外，核電廠穩(wěn)壓器排放管振動(dòng)屬于典型的瞬態(tài)振動(dòng)，其安全閥組件上游管中有水塞，當(dāng)安全閥組件在很短時(shí)間內(nèi)打開時(shí)，水塞受蒸汽推動(dòng)下不斷加速而引起排放管發(fā)生較大的瞬態(tài)振動(dòng)[11]。

為了減少流體脈動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)需要從管路的選型、管路的布置、減少氣柱諧振三個(gè)方面考慮。

3 水錘沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)

當(dāng)管道中的閥門突然啟閉或者水泵的突然開停，管道內(nèi)的水流速度首先在閥門處發(fā)生突變，使管道內(nèi)水壓形成壓縮波和膨脹波，并在管道內(nèi)周期性的傳遞衰減，直至壓力穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為水錘。水錘從不同角度可分為四類：按關(guān)閥歷時(shí)與水錘相的關(guān)系分為直接水錘和間接水錘；按水錘成因的外部條件可分為啟動(dòng)水錘、關(guān)閥水錘和停泵水錘；按水錘水力特性可分為剛性水錘理論和彈性水錘理論兩種；按水錘波動(dòng)的現(xiàn)象分為水柱連續(xù)現(xiàn)象和水柱分離的水錘現(xiàn)象兩種。

水錘現(xiàn)象嚴(yán)重影響了核電廠的安全生產(chǎn)。據(jù)有關(guān)資料介紹[12]，三回路發(fā)生的水錘事故約占?jí)核押穗姀S水錘事故的9%，意外停電或機(jī)械故障造成水泵突然停止運(yùn)行是導(dǎo)致三回路水錘事故發(fā)生的主要原因。在華東、中南等4個(gè)地區(qū)有30多個(gè)較大泵站，都發(fā)生過水錘現(xiàn)象，記錄到損失較大的事故多達(dá)200次以上。

水錘防護(hù)措施現(xiàn)場通常有三種：補(bǔ)水(注氣)穩(wěn)壓，防止產(chǎn)生水柱分離或升壓過高的斷流彌合水錘；泄水降壓，避免壓力陡升；使用多功能水泵控制閥。

4 氣蝕誘發(fā)管道的振動(dòng)

在核電廠管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大量采用節(jié)流孔板來增加系統(tǒng)阻力，限制管道流速。目前，關(guān)于節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)和分析還沒有標(biāo)準(zhǔn)化要求，在設(shè)計(jì)過程中通常是依據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)以及一些實(shí)驗(yàn)室得出的經(jīng)驗(yàn)公式，這樣設(shè)計(jì)出的節(jié)流孔板容易造成節(jié)流孔板過度節(jié)流，在節(jié)流孔板下游發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，引起管道振動(dòng)和噪聲，給核電廠安全帶來不利影響[13]。大亞灣核電站安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)試驗(yàn)管線節(jié)流孔板氣蝕引起的管道劇烈振動(dòng)和噪聲[14]，神華廣東國華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司600 MW機(jī)組在啟動(dòng)過程中，凝結(jié)水通過再循環(huán)調(diào)節(jié)閥時(shí)，出現(xiàn)氣蝕誘發(fā)再循環(huán)管道出現(xiàn)較大的振動(dòng)[15]。

對(duì)于氣蝕現(xiàn)象的治理主要從根源做起，比如優(yōu)化節(jié)流孔板，改進(jìn)調(diào)節(jié)閥等。中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的張毅熊等人按氣蝕數(shù)相近的原則設(shè)計(jì)多級(jí)節(jié)流孔板，并結(jié)合EAS實(shí)驗(yàn)對(duì)管線孔板氣蝕引起的振動(dòng)進(jìn)行了分析和改造，有效解決了核電廠中由于節(jié)流孔板氣蝕引起的管道振動(dòng)問題[13]。

5 氣液兩相流產(chǎn)生的振動(dòng)

氣液兩相流動(dòng)是指在同一流動(dòng)體系中，同時(shí)存在氣相和液相兩種流動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)現(xiàn)象。氣液兩相流體在管道中輸送時(shí)流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜多變，各不相同，可形成多種流型，各處的密度不完全相同，在流體流動(dòng)速度和流動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起管道系統(tǒng)的劇烈振動(dòng)。

氣液兩相流在石化廠、煉油廠和核反應(yīng)堆等裝置相關(guān)管系里的應(yīng)用非常普遍。例如動(dòng)力工程中鍋爐蒸發(fā)管中的蒸汽/水兩相流動(dòng)，化工工業(yè)中物料輸送管道和反應(yīng)釜攪拌器中的氣液兩相流等。當(dāng)氣液兩相流存在與外界的熱交換時(shí)，流體吸收或散熱，氣液比發(fā)生變化，在局部會(huì)產(chǎn)生流體沖擊；尤其是存在向外散熱的情況時(shí)，流體中的介質(zhì)蒸汽可局部冷凝，其體積在瞬間發(fā)生很大的變化，附近液流高速移動(dòng)占據(jù)這個(gè)空間，形成沖擊引起振動(dòng)。同時(shí)，氣液兩相流因各相密度和速度差異，導(dǎo)致各處流動(dòng)形態(tài)不完全相同，在遇到彎頭、異徑管、三通、噴嘴等元件時(shí)，由于壓力和動(dòng)量矢量的變化，會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生激振力而引起振動(dòng)。

氣液兩相流動(dòng)誘發(fā)管道振動(dòng)問題已有很多相關(guān)報(bào)道[15,16]。

6 風(fēng)載荷、地震載荷引起的振動(dòng)

6.1 風(fēng)力引起的振動(dòng)

室外管道當(dāng)空氣橫流繞過其非流線型的外表面時(shí)，在空氣流的尾流中就可能出現(xiàn)不對(duì)稱旋渦，從而激擾管道系統(tǒng)振動(dòng)。大振幅的振動(dòng)是出現(xiàn)在渦街頻率與管道的固有頻率相接近時(shí)。

6.2 地震引起的振動(dòng)

地震也會(huì)引起管道的隨機(jī)振動(dòng)。

同與管道連接的設(shè)備相比，管道質(zhì)量較輕、體積較小，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，管道會(huì)振動(dòng)。但是，由于地震導(dǎo)致管道破壞的可能性很小，往往地震時(shí)管道破壞的原因多為設(shè)備或管道支架的坍塌聯(lián)動(dòng)，對(duì)管道施加應(yīng)力引起的。

因此，對(duì)于風(fēng)載荷、地震載荷振動(dòng)的防護(hù)，主要要從核電廠的建造設(shè)計(jì)著手。

7 人為因素引入的管道振動(dòng)

設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試過程，也是引入管道振動(dòng)的一個(gè)原因。比如管道設(shè)計(jì)不合理，如果管道設(shè)計(jì)剛度小、固有頻率低或布置過于復(fù)雜，管道容易受激振力的影響而發(fā)生共振；或者支吊架布置不合理，其主要表現(xiàn)為管路及其支吊架的擺動(dòng)并伴有“碰碰”的噪聲，振動(dòng)的時(shí)間多發(fā)生在啟停機(jī)和變工況的時(shí)候，振動(dòng)位置多發(fā)生在主蒸汽管道、高低之間正常疏水和危急疏水管路、水泵的出入口管路及再循環(huán)管路，高溫高壓容器或主蒸汽管道的有壓放水主管等管路；比如調(diào)節(jié)閥選型和安裝不合理，調(diào)節(jié)閥出口處易發(fā)生汽蝕，管道內(nèi)部流體產(chǎn)生汽水兩相流使流動(dòng)失去穩(wěn)定性，強(qiáng)大的沖擊力會(huì)引起管道振動(dòng)。

8 結(jié)語

核電廠管道的振動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，引起振動(dòng)的原因也很多，本文總結(jié)了旋轉(zhuǎn)設(shè)備、水錘、流體脈動(dòng)、氣蝕、氣液兩相流、風(fēng)載荷、地震載荷和人為誤差等誘發(fā)核電廠管道振動(dòng)的幾種主要原因，并列舉了相關(guān)案例，提出了常見的整改方案。研究發(fā)現(xiàn)，為了解決核電廠管道的振動(dòng)問題，需要在設(shè)計(jì)、加工、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等幾個(gè)環(huán)節(jié)做好相應(yīng)的工作。

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CauseAnalysis of Pipeline Vibration in Nuclear Power Plants and Its Improvement Strategies

HU Shi-guang,SHEN Xiao-yao
(Engineering Equipment Department,Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233,China)

Pipeline is the main component of nuclear power plants.Pipeline vibration can induce fatigue and fracture of the pipeline.Accumulation of the cracks of the pipeline can cause the power plant to shut down,maintenance,and even catastrophic accidents.In this paper,the main reasons inducing the vibration of the pipeline in nuclear power plants,such as the vibration of rotating equipment,hydraulic hammering action,fluid pulsation,cavitation corrosion,gas liquid two-phase flow,wind,earthquake and artificial error were summarized.Some accident cases and common improvement schemes were introducd.This work may provide some necessary

for pipeline design,construction,maintenance and overhaul in nuclear power plants.

vibration and wave;nuclear power plant;pipeline;cause analysis;improvement

TB4

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.045

1006-1355(2015)03-0208-03

2015－02－07

胡士光（1978－），男，遼寧大連人，本科，主要研究方向：核電廠非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。E-mail:propose@snerdi.com.cn

沈小要，男，安徽宿州人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail:shenxy@snerdi.com.cn