核電站凝結水旁路調節(jié)閥振動大的原因分析與對策1)

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

在核電站和常規(guī)電廠中，調節(jié)閥被廣泛運用于機組的各個系統回路，它是過程控制系統中用動力操作去改變液體流量的裝置，以調節(jié)流體的壓力、溫度、流量、液位等工藝參數以滿足生產工藝需要，是核電站保障機組穩(wěn)定經濟運行的重要組成部分。

然而，調節(jié)閥運行的工況往往較為多變，經常面臨著大壓差、小開度等極端工況，在這些惡劣的工況下，閥門內部閃蒸、氣蝕等情況時有發(fā)生，伴隨著氣液兩相介質沖刷，閥芯、閥座極易被吹損。同時，隨著介質相變帶來的能量釋放和介質動靜能的轉變，閥門和所處管道常會發(fā)生劇烈的振動，對閥門本體以及周邊管道或支架產生損傷。因此，如何根據現場工藝參數和問題的表現形式，通過分析找出癥結所在，以選擇正確、合理的方法消除現場缺陷，是解決此類調節(jié)閥問題的關鍵。

1 研究背景

方家山核電站機組凝結水抽取系統(簡稱CEX)是核電機組二回路的重要系統，主要負責收集和冷卻所有的蒸汽流和各種疏水，提供充分的凝結水儲存能力，并向除氧器提供所需的凝結水量。凝結水抽取系統上設有一個凝結水流量控制站，主要由一個主流量控制閥和一個旁路控制閥組成，均為氣動調節(jié)閥。凝結水流量控制站的工作是根據汽輪機功率、凝結水量和除氧器水位來控制的，機組在30%～100%額定功率之間運行時，凝結水大流量調節(jié)閥CEX025VL開啟，旁路小流量調節(jié)閥CEX026VL關閉；機組在30%以下額定功率運行時，凝結水大流量調節(jié)閥CEX025VL關閉，旁路小流量調節(jié)閥CEX026VL開啟。凝結水流量控制站系統布置如圖1所示。

在方家山機組的運行中發(fā)現，當機組在低于30%功率區(qū)間運行時，凝結水旁路調節(jié)閥CEX026VL及其管道振動極大，通過對閥門管道振動的檢測，確定振動的激勵源來自CEX026VL閥門本身，并且主要表現出以下特征：

1) 閥門開度在20%以下時振動很小，隨著開度的增大，振動明顯增大，在機組功率30%時，閥門開度90%，此時振動最大，閥門關閉后無明顯振動現象；

2) 凝結水旁路調節(jié)閥CEX026VL的入口管段振動較小；閥門出口至異徑管喇叭口段振動趨勢明顯增大，異徑管末端和直管段的連接部位振動最大，直管段到隔離閥法蘭位置振動又逐漸減小；

3) 在振動較大的位置，其內部有類似沙石撞擊金屬的聲音；

4) 由于管道在垂直方向有支撐和阻尼減震器，因此水平方向振動比垂直方向振動大。

圖1 凝結水流量控制站

方家山核電站機組凝結水旁路調節(jié)閥1CEX026VL在低功率期間運行時的強烈振動對閥門本體和周邊設施造成了極大的危害，曾先后造成閥門定位器振壞、閥門前后端的阻尼減震器振壞、閥桿連接螺母松動、閥門支架松動旋轉，引起了重大的安全隱患。另外，凝結水旁路調節(jié)閥及管道強烈的高頻振動，將不斷降低管道和焊縫的疲勞強度，使管道面臨振斷的危險。

2 原因分析

2.1 振動影響因素

2.1.1 管道支撐評估

根據現場勘測發(fā)現，CEX026VL閥門所在管道的管徑長徑比大，剛性支架點布置合理，管系自身剛度較大，不存在低頻共振特性。經查詢電站設計文件，閥門前后支架的安裝完全符合設計要求，現場檢查支架也無缺陷。同時，核電站在大修期間針對性地實施了管道振動整治方案，在閥門兩側增加了萬向阻尼器，但經過前后比對，振動沒有明顯減弱，說明管系支撐不足不是閥門振動的原因。

2.1.2 氣蝕現象

判斷氣蝕現象是否發(fā)生是基于阻塞流的原理，在調節(jié)閥中，阻塞流是指流體在流過節(jié)流部件時所達到的最大流量狀態(tài)，即極限狀態(tài)[2]。調節(jié)閥的流道相當于節(jié)流孔板，高壓流體流經節(jié)流孔時，靜壓能與動壓能相互轉換，流速增加導致壓力降低，壓力變化如圖2所示。

圖2 氣蝕產生機理

阻塞流的形成正是因為當閥門最小節(jié)流口的壓力降至或低于該流體在入口溫度下的氣化壓力(即飽和蒸汽壓)時，液體發(fā)生了相變，氣化形成氣泡，限制了閥門的流通能力。帶有氣泡的液體在寬敞的下游流道中流速下降，壓力回升，當壓力回升至等于或高于飽和蒸汽壓時，氣泡破裂，恢復液相，這就是空化過程。氣泡破裂時，釋放出巨大的能量，發(fā)生強烈的振動和噪聲，對閥芯、閥座等節(jié)流元件產生破壞，此時即為氣蝕現象。氣蝕的產生與否和壓差有關，當閥門的實際壓差大于產生空化的臨界壓差，并且出口壓力等于或高于飽和蒸汽壓時，就產生氣蝕，同時導致強烈的振動。

由于閥門CEX026VL結構形式為單級節(jié)流，且經過縮徑后閥門閥芯處節(jié)流作用明顯，因此閥門前后壓差大。另外，根據振動的表現形式，內部類似沙石沖擊的聲音與氣蝕表象也十分相似，由此判斷該閥發(fā)生氣蝕的可能性較大。但要確切判斷氣蝕是否產生，需進一步計算分析方可確定。

2.1.3 流速問題

當流體在一定通徑的管道內低速流動時，往往呈層流狀態(tài)，流動穩(wěn)定；而流速過大時，就容易形成湍流，即紊流，特別是當管系中存在變徑時，湍流就會加劇。湍流形成時，流體內部流動結構紊亂，流速與流向不穩(wěn)定，同時產生隨機脈動。由于湍流的激振頻帶較寬，易使周邊管道設備形成強迫振動。

方家山核電站機組凝結水抽取系統旁路調節(jié)閥CEX026VL所在管道設計的單相水最高流速為3 m/s，如實際凝結水流速過高，形成湍流，高速撞擊閥門管壁，易形成寬幅激振頻帶的高強度的強迫振動。

2.2 計算分析

通過上述的原因分析，將凝結水旁路調節(jié)閥振動的可能原因集中在氣蝕和流速過大兩方面，因此，本文根據方家山機組的運行數據和閥門技術參數，分別從上述兩方面進行計算分析。

2.2.1 氣蝕的理論計算

根據阻塞流的原理可知，達到阻塞流條件就會產生氣蝕，而判斷阻塞流發(fā)生的條件是閥門的實際壓差ΔP大于或等于產生阻塞流時的臨界壓差ΔPs，即：

ΔP=P1-P2≥ΔPs

當機組功率處于30%FP切換點時，CEX026VL閥門振動最大，此時根據實際測量數據，閥門開度為90%，閥前變徑前的進口壓力P1為2.8 MPa(絕對壓力)，閥后壓力P2經計算為0.8 MPa；流量計CEX002KD測量的流量約為1 700 t/h；水溫33 ℃。

故可以得到閥門CEX026VL前后實際壓差ΔP為：

ΔP=P1-P2=2.0 MPa

因此，重點是如何計算發(fā)生阻塞流的臨界壓差ΔPS，根據公式[2]：

式中：FL——閥門壓力恢復系數，由閥門的內部結構決定；

Pvcr——當發(fā)生阻塞流時，其靜縮流處最大流速對應的最小壓力。

Pvcr與液體介質的物理特性有關，即：

Pvcr=FFPv

式中：Pv——液體在入口溫度下的飽和蒸汽壓。

FF——臨界壓力比系數，是液體在入口溫度下的Pv和液體的臨界壓力Pc之比的函數。

因此發(fā)生阻塞流的臨界壓差公式為：

式中：P1——閥前壓力，2.8 MPa；

Pc——熱力學臨界壓力，對水是22.1 MPa；

FL——閥門壓力恢復系數，根據CEX026VL設計資料，為0.828；

Pv——相應溫度(33 ℃)下水的飽和蒸汽壓力，為0.005 MPa。

故計算得：

=1.916 MPa

顯然ΔP>ΔPs，且P2>Pv，說明達到了氣蝕發(fā)生條件，閥門內部發(fā)生了汽蝕。

2.2.2 流速計算

流速過大是造成閥門和管道強迫振動的另一個原因，衡量流速是否過大，那么就要看該管段的實際流速是否大于管道設計流速。當機組處于30%FP切換點時，旁路調節(jié)閥CEX026VL的開度為90%，查詢CEX026VL開度流量曲線，其流量特性為線性，從曲線中可得90%開度對應的額定流量系數Cv為552(如圖3所示)。

圖3 閥門CEX026VL的流量特性曲線

根據：Cv=1.167Kv，換算成Kv值為473。那么閥門的計算流量為：

=2 075 t/h

式中：ΔPs——閥門發(fā)生阻塞流的臨界壓差;

SG——流體比重，水在33 ℃時的比重為0.995 kg/dm2。

由于管道中有其他的阻力件，因此實際的閥門流量小于2 075 t/h，根據主管道測量壓力為1 700 t/h，基本相符，因此以1 700 t/h計算。CEX026VL閥門所在管道變徑前管道規(guī)格為φ406.4 mm×12.7 mm，變徑后管道規(guī)格為φ222 mm×22.3mm。CEX026VL管道變徑前后的流速V前和V后分別為：

式中：S1——變徑前的管道截面積；

S2——變徑后的管道截面積。

由此可見，計算所得的流速明顯大于管道設計推薦的單相水最高流速(3 m/s)，對于閥門內部的最窄處(閥芯與閥座的間隙流道)則流速更高，說明閥門及變徑管內部形成了湍流現象。

2.3 原因分析結論

針對凝結水旁路調閥振動的原因，首先從現場振動分布情況和管道振幅的檢測，明確了閥門的振源來自于閥門本身，排除了其他外界振動傳導所致的因素。同時，通過閥門所在管道支架設計的核查，也排除了閥門支撐不足的原因。

其次，從閥門開度改變引起流體動力特性變化的角度出發(fā)，經過阻塞流原理的運用和臨界壓差的計算，確定了引起閥門振動的根本原因為閥門在特定工作區(qū)間內壓差過大而引起了氣蝕的發(fā)生。當氣蝕產生的氣泡迅速凝結破裂，釋放巨大能量，流體在高壓差作用下以極高速度流向這些原本被汽泡占有的空間，形成極大的沖擊力，從而使管道產生劇烈的振動，同時對材質表面造成嚴重損傷。

最后，通過閥門實際流速的計算和管道設計推薦單相水最高流速的對比，說明流速過大引起了湍流。形成湍流的凝結水高速沖擊閥門結構，形成寬幅激振頻帶的高強度的強迫振動，這是加劇閥門振動的貢獻原因。

3 改進對策

3.1 短期緩解措施

由于方家山核電站機組凝結水旁路調節(jié)閥CEX026VL的振動已對閥門、支架等部件產生了較大危害，嚴重影響了機組運行的穩(wěn)定性，因此為避免閥門振動引起功率波動事件，電廠從機械、儀控等各方面對凝結水旁路調節(jié)閥采取了一系列的保護措施和振動緩解措施，確保閥門改造策略執(zhí)行之前維持正常運行功能，主要包括以下幾方面：

(1)增加閥門兩側的管道支撐

在方家山核電站機組101大修和201大修期間實施了凝結水管道振動整治，在兩個機組的CEX026VL兩側均增加了萬向阻尼器，用于吸收管線振動期間的激振力，增加阻尼器后管道的振幅有所減小，從而降低了管道振斷的風險。

(2)采用分體式的閥門定位器

在方家山核電站機組101和102大修期間，核電站對閥門的定位器進行了改造，將原來一體式的定位器改為分體式的定位器，把定位器移至距閥門半米處，同時將閥門與定位器之間的氣源管也由硬管改為軟管，避開了閥體的振動。采用分體式定位器后，未出現過因定位器故障造成閥門控制失效的情況。

3.2 閥門改造策略

3.2.1 多級節(jié)流降壓技術

根據單級節(jié)流閥易產生阻塞流的現象，消除阻塞流的常用方法是選用多級節(jié)流降壓技術，多級節(jié)流降壓可從運行機理上防止氣蝕現象的發(fā)生。多級節(jié)流降壓的原理為：

通過在閥體內的流道中設置若干節(jié)流級，通過將閥門的總壓差用分級降壓的方法，使每一級出口壓力均高于液體的氣化壓力，從而避免氣蝕現象的發(fā)生(如圖4所示)。因此，采用多級節(jié)流降壓技術的調節(jié)閥可以有效控制氣蝕的產生。

圖4 多級節(jié)流原理示意圖

3.2.2 多級節(jié)流閥門選型

根據CEX系統旁路調節(jié)閥的技術規(guī)格書，其規(guī)定的閥門運行條件和現場工況基本接近，說明系統運行參數正常，由此判斷出現氣蝕是因為閥門選型錯誤，單級節(jié)流調節(jié)閥在此種工況下易產生氣蝕。因此，解決方家山核電站機組凝結水旁路調節(jié)閥CEX026VL振動大的最有效措施是將閥門改造為多級節(jié)流的調節(jié)閥。目前，調節(jié)閥常用的多級節(jié)流降壓技術有多級節(jié)流閥籠、迷宮型流道設計等，均能實現多級降壓。根據凝結水旁路調節(jié)閥的型式和壓差，以及基于改造成本的考慮，優(yōu)先推薦選用多級節(jié)流閥籠設計[1](常見多級節(jié)流閥籠設計如圖5所示)。

圖5 常見多級節(jié)流閥籠設計

3.3 流速緩解策略

根據上述的分析計算，閥門處的實際流速遠大于單向流的最大設計流速，流速的增大勢必增加湍流的強度，使管道的強迫振動加劇。同時流速的增加還使閥后壓力下降過快，易產生氣蝕現象。因此，緩解閥門振動需降低該閥前后的流速，而降低流速就需要增加閥門及管道的流通能力。

由于原設計上閥門前后有異徑管的存在，使流通能力下降，因此，該項目改進的另一重要策略就是取消原設計的異徑管，或減小縮徑程度，以減小流速和湍流的強度。同時，采用多級節(jié)流降壓的閥門后，由于多級節(jié)流的閥門比單級節(jié)流的閥門流通能力相對要低，將導致閥門Cv值的下降，因此必須增大閥門通徑，確保閥門有足夠的流通能力，從而保證凝結水系統流量滿足要求。

4 結束語

調節(jié)閥在運行過程中的缺陷模式非常復雜，如何根據缺陷的表現形式，結合管閥內流體的運動原理找出缺陷的根本原因是解決問題的前提和關鍵。

本文首先從凝結水旁路調節(jié)閥現場的振動特點出發(fā)，確認了振動的來源，并根據阻塞流原理的分析，利用現場參數重點展開了詳細的計算，確認了氣蝕的發(fā)生，為后續(xù)行動提供了充分的理論依據。最后，本文根據理論分析，結合現場情況，提出了有效的改進策略，對后續(xù)整改措施的制定具有很強的指導意義。由此可見，可靠的原因分析是解決問題的前提，有了充分可靠的原因分析，就可以有的放矢，針對性地制定出合理、高效的解決方案。

本文對凝結水旁路調節(jié)閥振動大的原因分析和改進策略的提出，展示了此類調節(jié)閥缺陷分析的全過程，可以為類似問題的分析和決策提供一個較好的案例，具有一定的借鑒意義。