核電廠重要儀表管線振動(dòng)疲勞測試與治理

湯利專 劉曉龍 吳明星

摘 要：在核電廠內(nèi)部設(shè)置中，管道系統(tǒng)是其中的重要組成部分。有很多重要的儀表管線振動(dòng)，會(huì)直接關(guān)系到正常的核能發(fā)電。這些儀表管線可以更好的檢測壓力和流量等信息，也影響著反應(yīng)堆、機(jī)輪機(jī)是否可以正常的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦這些儀表管線有所損壞，甚至斷裂，這系列的事故將會(huì)破壞核電站的正常運(yùn)行。截止目前，類似儀表管線振動(dòng)的相關(guān)事故已經(jīng)有過很多案例。對于重要儀表管線振動(dòng)的正常運(yùn)行進(jìn)行防護(hù)非常有必要，提前進(jìn)行疲勞測試和治理，有利于解決管道振動(dòng)問題引起的一系列事故。

關(guān)鍵詞：疲勞測試;治理;核電廠;儀表管線;振動(dòng)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平在不斷提高，社會(huì)的電力需求也在快速增加。核能的利用也開始被廣泛重視，核電站的應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大。因?yàn)閮x表管線振動(dòng)問題的影響，限制了核電廠的正常運(yùn)行。有效解決類似儀表管線振動(dòng)問題，是核電廠要認(rèn)真面對的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。下面通過分析核電廠儀表管線振動(dòng)的成因，并對振動(dòng)疲勞的測試標(biāo)準(zhǔn)和治理提出了相關(guān)建議。

一、核電廠儀表管線振動(dòng)成因分析

（一）流體脈動(dòng)和水錘沖擊

核電廠中，為了完成流體的輸送，需要泵的間歇性加壓，不穩(wěn)定的壓力容易導(dǎo)致管道的脈動(dòng)狀態(tài)，管道進(jìn)而形成激蕩力，引起管道的振動(dòng)。由于速度或者壓力的不穩(wěn)定，管道內(nèi)的流體狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)周期性變化。雖然流體脈動(dòng)不會(huì)直接對管道產(chǎn)生影響，但是流體會(huì)經(jīng)過調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)壓器等設(shè)備，容易造成這些設(shè)備內(nèi)部的損傷或疲勞，從而導(dǎo)致事故，不利于核電廠的正常運(yùn)行;另外，在核電廠中，水泵、管道閥門因?yàn)殚_啟或關(guān)閉時(shí)，在慣性的作用下，水流產(chǎn)生的巨大壓力，會(huì)對管道內(nèi)壁產(chǎn)生破壞作用。這種水錘沖擊直接造成管道的振動(dòng)，長此以往，容易造成意外停電，引起部分機(jī)械產(chǎn)生一系列的故障。

（二）旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)和氣液兩相流動(dòng)

核電廠中，會(huì)普遍使用風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)等，這些設(shè)備在運(yùn)行中，內(nèi)部部件的快速旋轉(zhuǎn)是不可避免的，從而產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備雖然會(huì)在安全程度限制之內(nèi)，然而運(yùn)行中，設(shè)備軸承的磨損，制造過程中的誤差等狀況的出現(xiàn)，會(huì)引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)超標(biāo)，造成管道振動(dòng)疲勞，甚至管道開裂等。還有在核電廠中，氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象很普遍。在管道系統(tǒng)中，氣體和液體兩種流動(dòng)介質(zhì)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，這種混合物流動(dòng)會(huì)與外界出現(xiàn)熱交換，在熱脹冷縮影響下，沖擊到對應(yīng)的管道，造成管道的振動(dòng)。管道壓力的變化又會(huì)使得流體進(jìn)一步?jīng)_擊管道振動(dòng)。

（三）節(jié)流氣板過度節(jié)流和自然因素

在核電廠管道系統(tǒng)中，節(jié)流氣板利用增加系統(tǒng)阻力的形式對管道流體的流速進(jìn)行控制，來確保管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于節(jié)流氣板設(shè)計(jì)技術(shù)還不夠成熟，一些計(jì)算誤差還會(huì)存在，從而引起節(jié)流氣板過度節(jié)流，形成氣蝕現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的沖擊力，可能會(huì)發(fā)生內(nèi)部材料的疲勞脫落、小凹坑、孔洞等，引起管道振動(dòng)現(xiàn)象。另外外界的自然因素也會(huì)導(dǎo)致管道振動(dòng)，比如大風(fēng)天氣，室外的管道系統(tǒng)由于空氣橫流，引起管道內(nèi)部流體的不對稱旋渦，從而出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。又比如發(fā)生地震時(shí)，內(nèi)部流體發(fā)生變化，會(huì)管道本身造成不同程度的振動(dòng)，甚至導(dǎo)致管道支架和設(shè)施的坍塌損壞，造成管道更大程度的振動(dòng)。

（四）一些人為因素

核電廠的規(guī)模比較大，所涉及到的管道系統(tǒng)也是非常復(fù)雜的。在管道系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)、安裝施工中都存在著難度，一些施工操作失誤、前期設(shè)計(jì)的不合理之處，都會(huì)成為管道振動(dòng)的因素之一。局部引起的振動(dòng)會(huì)通過相關(guān)的導(dǎo)向支架，迅速傳遞到整體系統(tǒng)，從而造成管道振動(dòng)的疲勞，造成損傷或故障。另外這些支架如果因?yàn)閿[放位置的偏差、支撐欠缺牢固度等，就會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大振動(dòng)程度，不利于整體管道系統(tǒng)的運(yùn)行。雖然人為因素概率較低，但由于各種復(fù)雜的狀況，都可能會(huì)對管道系統(tǒng)造成危害。

二、核電廠儀表管線振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)估

（一）處理老化問題要求和環(huán)境要求

機(jī)械磨損和設(shè)備的循環(huán)操作都會(huì)影響到設(shè)備部件的壽命，無法避免。在評(píng)估設(shè)備老化處理要求時(shí)，如果沒有確切數(shù)據(jù)證明磨損老化程度，就會(huì)在規(guī)定條件下根據(jù)次數(shù)運(yùn)行進(jìn)行老化評(píng)估。安全級(jí)數(shù)字化設(shè)備運(yùn)行相對平穩(wěn)時(shí)，就不存在明顯老化，基本不用進(jìn)行老化試驗(yàn)。設(shè)備所在的地區(qū)，如果累積輻射量不高時(shí)，可以不進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)來評(píng)估輻射老化問題。核安全DCS的環(huán)境要求，對標(biāo)RCC-E規(guī)范，有非常嚴(yán)格的環(huán)境要求。核電廠也會(huì)有不同的環(huán)境要求，核電標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境要求，并不是統(tǒng)一的，情況不同，要求也不會(huì)相同。但是應(yīng)該要基本符合RCC-E中所規(guī)定的環(huán)境條件。

（二）理化性能檢測和儀表管支撐的設(shè)置

核級(jí)儀表管的硬度一般小于等于85HRB為宜?？梢葬槍t批號(hào)、相同規(guī)格、相同制造工藝等方面進(jìn)行取樣，進(jìn)行理化性能檢測。對于其中的化學(xué)成分、力學(xué)和工藝性能、晶間腐蝕等作為檢測項(xiàng)目。另外儀表管線的抗震性能要在安全級(jí)別。儀表管支撐的應(yīng)用場合不同，需要的支撐性不同，比如固定點(diǎn)、滑動(dòng)點(diǎn)的支撐。安全級(jí)儀表管線要符合相應(yīng)的支撐作用，保證其性能。

（三）設(shè)備安裝依據(jù)和要求

數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的安置要考慮可能會(huì)發(fā)生的不可抗力事件，比如，地震、其他非機(jī)械運(yùn)動(dòng)所造成的損毀，最好避免或者減少。這些系統(tǒng)一般在通風(fēng)的設(shè)備間，環(huán)境比較溫和，一旦發(fā)生不可抗力事件，就會(huì)造成工作效率失效。另外設(shè)備合理的選址，盡量避免風(fēng)力、地震等影響，確保各種設(shè)備的質(zhì)量，減少管道振動(dòng)。設(shè)備安裝要求都很嚴(yán)格，一定要根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)定來安裝，如果安裝不當(dāng)，就會(huì)降低設(shè)備運(yùn)行效率，遠(yuǎn)離原有目標(biāo)。為了提高安裝效率，安裝時(shí)一定要運(yùn)用模擬預(yù)期的方法進(jìn)行位置調(diào)定，滿足相關(guān)要求，從而進(jìn)行有效緩解和控制。

三、總結(jié)

總之，核電廠的儀表管線振動(dòng)原因是各種各樣的，要想有效解決振動(dòng)疲勞，就要明確了解相關(guān)原因，在管道系統(tǒng)的各個(gè)階段都要嚴(yán)格注意。管線振動(dòng)的預(yù)防工作、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、合理應(yīng)對，才能有效降低管線振動(dòng)疲勞的影響，盡可能避免振動(dòng)疲勞引發(fā)的損壞事故。應(yīng)對儀表管線振動(dòng)，要從管道系統(tǒng)生命周期入手，分析其原因，經(jīng)過振動(dòng)特性測試，針對性的采取相應(yīng)措施，有效控制振動(dòng)疲勞。

參考文獻(xiàn)：

[1]林磊，徐德城，宋曉鋒，楊佳，薛飛，王榮山.核電廠儀表管道振動(dòng)疲勞耐久性能改進(jìn)研究[J].中國核電，2016，9（03）：231-236.

[2]何超，賴姜，喻丹萍，李錫華，孫磊，袁少波.核電廠管道振動(dòng)測量系統(tǒng)的研制[J].核動(dòng)力工程，2019，40（S1）：155-158.

[3]王樹升，付江永.核電廠堿計(jì)量泵出口管道振動(dòng)分析及治理[J].設(shè)備管理與維修，2020（07）：132-133.