三門核電站主蒸汽管線振動噪聲診斷及處理

王磊 張鍇

1.中國核電三門核電有限公司 浙江臺州 317112

2.上海核工程研究設計院有限公司 上海 200233

根據(jù)美國核管會RG 1．20要求對新建壓水堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)件和蒸汽系統(tǒng)及設備由于流動激勵的聲共振所造成的不利影響作出評價。三門核電站在調(diào)試階段，發(fā)現(xiàn)主蒸汽管線噪聲偏大。有鑒于此，本文對三門核電站主蒸汽管線振動噪聲進行實堆測量，獲得實際運行過程中主蒸汽管道的振動噪聲反應，驗證三門核電站主蒸汽管道不會由于強烈聲共振造成嚴重的不利影響。分析造成主蒸汽管道的噪聲反應偏大的主要原因，并提出緩解主蒸汽管線噪聲偏大的優(yōu)化改造方案[1]。

1 振動噪聲測量

振動噪聲測量采用固定式測量方法，在安全閥和隔離閥及其上下游近端和遠端主蒸汽管道布置測點。振動測量采用加速度傳感器，直接布置在管道和閥門上。噪聲測量采用傳聲器，布置在管道保溫外側(cè)。噪聲測量通過一定的防護措施屏蔽非主蒸汽管線噪聲的干擾，并通過試驗獲得的主蒸汽管道及保溫的隔聲量，推算出管道內(nèi)部的蒸汽壓力脈動。

測量表明，50%以下功率時，管道振動噪聲幅值相對較低。隨著功率提升，振動噪聲幅值逐漸提高。100%功率時，主蒸汽管道外噪聲聲壓級最大達到80～90dB，主蒸汽管道內(nèi)壓力脈動聲壓級最大達到150～155dB，位移幅值最大達到200μm。振動噪聲和壓力脈動均在190Hz、320Hz及其倍頻頻率附近出現(xiàn)峰值。振動噪聲兩種測量方法所得的主要高頻峰值頻率基本重合，說明聲載荷是導致管道高頻振動的主要原因。

按ASME OM S/G-2003第三部分的管道振動限值，對三門核電站主蒸汽管線（主蒸汽隔離閥和安全閥段）的振動測量結(jié)果進行評定。評定結(jié)果表明，三門核電站主蒸汽管線（主蒸汽隔離閥和安全閥段）的振動測量值均小于振動限值，滿足規(guī)范標準要求。三門核電站主蒸汽管道不會由于強烈聲共振造成嚴重的不利影響。

2 原因分析

為確定三門核電站主蒸汽管道噪聲反應偏大的主要原因，通過主蒸汽管線計算流體動力學（CFD）和計算氣動聲學（CAA）計算，獲得主蒸汽管道內(nèi)流場及聲場分布。通過對比管道內(nèi)壓力脈動典型頻率的計算和測量結(jié)果的差異，診斷分析三門核電站主蒸汽管道噪聲峰值產(chǎn)生的可能原因。

建立主蒸汽管線及安全閥、隔離閥聲學模型，提取管線典型聲模態(tài)。由聲模態(tài)計算結(jié)果可以看出，主蒸汽管線具有復雜的聲模態(tài)特征，在 77Hz，186Hz，197Hz，329Hz，377Hz，451Hz等頻率處均出現(xiàn)典型聲模態(tài)。

建立主蒸汽管線及安全閥、隔離閥CFD及CAA計算模型，計算管道內(nèi)流場及聲場分布。首先開展流場計算，采用分離渦模型，非定常計算。主蒸汽管線流場計算完成后，將聲源區(qū)域的流場信息轉(zhuǎn)化為聲源信息，兩端管道各延伸一段聲傳播區(qū)，并在管道兩端面定義模態(tài)面，用以模擬聲音沿無限長管道傳播。計算中，參照實堆測點，在模型中安全閥和隔離閥上下游設置一定的監(jiān)測點，輸出監(jiān)測點上的壓力脈動，用以與測量結(jié)果相對比[2]。

根據(jù)CFD及CAA計算結(jié)果可以得出結(jié)論，安全閥上下游測點上，噪聲主要峰值為200Hz頻率處；隔離閥上下游測點上，噪聲主要峰值為200Hz、330Hz和700Hz等頻率處。噪聲頻率與聲模態(tài)結(jié)果接近。由聲場分布結(jié)果可以看出，200Hz頻率聲能主要集中在隔離閥腔體及安全閥旁支管內(nèi)；330Hz頻率聲能主要集中在隔離閥腔體及隔離閥下游；700Hz頻率主蒸汽管道內(nèi)聲能分布趨近均勻。

為進一步對數(shù)據(jù)進行分析，將三門核電站100%功率下主蒸汽管線噪聲測量結(jié)果與模型計算得到的噪聲數(shù)據(jù)進行對比。對比表明主蒸汽管線計算流體動力學（CFD）和計算氣動聲學（CAA）計算所得噪聲峰值頻率與測量結(jié)果基本一致，噪聲聲壓級幅值略大于實測結(jié)果。CFD+CAA方法對于計算主蒸汽管系的流致噪聲問題具有一定的準確度，可為工程設計和該類問題的診斷處理提供參考。分析表明，三門核電站主蒸汽管線主要低頻噪聲（200Hz和320Hz）來自管道空腔聲模態(tài)，高頻寬頻噪聲源于高速湍流。

3 優(yōu)化改造方案及效果

旁支管系的聲共振問題在工業(yè)界有著廣泛的研究[2]。實驗表明，臨界斯特魯哈數(shù)（S0）直接影響管系聲共振的發(fā)生，臨界斯特魯哈數(shù)定義為：

根據(jù)式（1），解決主蒸汽管線聲共振問題最簡單的措施是擴大支管開口直徑或者縮短支管長度（降低聲共振模態(tài)頻率）。這兩個改進措施需要對主蒸汽管道進行改造[3]。在支管上安裝一個聲學旁支管（ASB），內(nèi)裝聲耗散材料，降低管系的聲共振強度。

本文將三門核電站主蒸汽管線安全閥支管的長度縮短1/3，采用上文所述主蒸汽管線及安全閥、隔離閥CFD及CAA計算模型，對改造效果進行計算。計算表明，支管長度縮短后，噪聲峰值頻率有所提高，噪聲峰值幅值從160dB下降到140dB，可以有效緩解主蒸汽管線聲共振問題。

4 結(jié)語

三門核電站主蒸汽管線（主蒸汽隔離閥和安全閥段）噪聲偏大，本文對三門核電站主蒸汽管線（主蒸汽隔離閥和安全閥段）進行振動噪聲實堆測量，獲得實際運行過程中主蒸汽管道的振動噪聲反應，并進行管道振動評定。評定結(jié)果表明，三門核電站主蒸汽管線（主蒸汽隔離閥和安全閥段）的振動滿足規(guī)范標準要求。三門核電站主蒸汽管道不會由于強烈聲共振造成嚴重的不利影響。分析表明，三門核電站主蒸汽管線主要低頻噪聲（200Hz和320Hz）來自管道空腔聲模態(tài)，高頻寬頻噪聲源于高速湍流主蒸汽管線安全閥支管長度縮短可以有效緩解主蒸汽管線聲共振問題。