某核電廠主給水泵暖泵系統(tǒng)缺陷分析與改進(jìn)

中核環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司 劉紅雨

1 引言

某核電廠的主給水系統(tǒng)共有5臺(tái)主給水泵，正常運(yùn)行期間4臺(tái)工作，1臺(tái)備用。為保證熱備用狀態(tài)的主給水泵可隨時(shí)投入運(yùn)行，設(shè)置了暖泵系統(tǒng)對(duì)主給水泵進(jìn)行預(yù)熱，以使投入運(yùn)行時(shí)泵部件的熱沖擊減到最低。該核電廠主給水泵采用逆流暖泵方式，如圖1所示。當(dāng)泵備用時(shí)，出口管壓力9.2MPa、溫度172℃的給水經(jīng)泵的出口閥門及出口逆止閥旁路管線，從主給水泵出口逆流進(jìn)入泵體，因此在泵備用期間，逆止閥旁路閥門必須保持常開。

2010年，在一次啟動(dòng)5號(hào)主給水泵時(shí)，主給水泵出口逆止閥旁路管線手動(dòng)閥門所在管道突然斷裂，根據(jù)管道斷口判斷管道內(nèi)壁沖刷腐蝕明顯，多處壁厚不到1mm（設(shè)計(jì)為3mm）[1]。為避免在役核電站以及后續(xù)設(shè)備中出現(xiàn)類似事故，有必要就該問題進(jìn)行深入剖析，提出切實(shí)可行的解決方案，徹底消除隱患。

2 原因分析

正常運(yùn)行時(shí)，1臺(tái)泵處于備用狀態(tài)，入口壓力為0.8MPa，出口壓力約為9.09MPa。當(dāng)打開泵逆止閥旁路管線上的閥門3時(shí)，出口的高壓水便會(huì)經(jīng)過出口閥4以及逆止閥旁路管線，逆經(jīng)泵進(jìn)入除氧器。泵出口逆止閥旁路管線設(shè)計(jì)為Φ32×3mm的碳鋼管，因8.07MPa（給水集管壓力9.09MPa、除氧器內(nèi)壓力0.8MPa、除氧器與擬止閥旁路法的高差20m）的壓降主要由泵逆止閥旁路管線及該管線上的閥門承擔(dān)，造成閥門3和其所在的管道嚴(yán)重沖刷減薄，在壓力作用下發(fā)生斷裂。

3 解決方案

通過增加節(jié)流孔板來降低壓力是解決汽水管道壓降問題的有效途徑，其降壓原理是流體在通過節(jié)流孔板時(shí)，由于孔板的局部阻力而產(chǎn)生的能量損耗使通過節(jié)流孔板的流體壓力降低。但是如果節(jié)流孔板選用不當(dāng)，流體會(huì)在孔板流道內(nèi)部會(huì)發(fā)生物性變化，即閃蒸和空化現(xiàn)象，所以針對(duì)暖泵系統(tǒng)逆止閥旁路管線8.4MPa的壓降需要合理的選用節(jié)流孔板。

3.1 理論分析

水流過節(jié)流孔板時(shí)，因流道面積突然下降，上游流體速度（v1）急劇變大，直至恢復(fù)到下游流體速度（v2）；根據(jù)伯努利方程，流體壓力由上游的p1快速減至縮流斷面處的pv，然后逐漸恢復(fù)到下游壓力p2，p1＞p2。水流經(jīng)節(jié)流孔板時(shí)的物理過程如圖2所示。由此可見，水的最低靜壓力，即水在縮流斷面處的壓力（pv）若小于水的當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎毫Γ╬vc），就會(huì)產(chǎn)生汽蝕。若汽蝕繼續(xù)發(fā)展，就會(huì)發(fā)生阻塞流現(xiàn)象。如果沒有發(fā)生閃蒸，通過節(jié)流孔板的水流量（Q）正比于節(jié)流孔板前后壓差（Δp）的平方根，即：；如果發(fā)生閃蒸，因水中夾帶著水蒸汽，此時(shí)流體已經(jīng)轉(zhuǎn)化為可壓縮的汽水兩相流，此時(shí)通過節(jié)流孔板的水流量（Q）不再滿足上述關(guān)系，形成阻塞流，如圖3所示，A點(diǎn)為開始產(chǎn)生閃蒸時(shí)的孔板前后壓差，O點(diǎn)為節(jié)流孔板最大允許壓差，B點(diǎn)為節(jié)流孔板完全阻塞流的壓差，即此時(shí)通過節(jié)流孔板的水流量不再隨壓差的增加而增加。

3.1.1 阻塞壓差的計(jì)算方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，發(fā)生阻塞流時(shí)節(jié)流孔板上下游的壓差，即阻塞壓差（Δpm）為：

式中，pvg為節(jié)流孔板上游溫度172對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，0.83MPa；pc為流體的絕對(duì)熱力學(xué)臨界壓力，22.5MPa?？捎忙m與節(jié)流孔板前后壓差判斷是否發(fā)生汽蝕。如果Δp＜Δpm，不會(huì)發(fā)生汽蝕，反之，就會(huì)發(fā)生汽蝕?？梢姡瑔渭?jí)孔板是否發(fā)生汽蝕取決于上游水的壓力、上游水的溫度和所需壓降（Δpneed）。當(dāng)Δpm＜Δpneed，則單級(jí)孔板必定會(huì)發(fā)生汽蝕，此時(shí)應(yīng)采用多級(jí)孔板代替單級(jí)孔板。

對(duì)于主給水泵暖泵系統(tǒng)的逆止閥旁路管線，由式（1）可以計(jì)算出得Δpm==6.75MPa。而Δpneed=8.07MPa，可見，Δpm＜Δpneed，所以如果選用單級(jí)節(jié)流孔板將產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象及阻塞流，應(yīng)采用多級(jí)節(jié)流孔板分級(jí)降壓，避免節(jié)流孔板發(fā)生汽蝕現(xiàn)象及阻塞流。

按照文獻(xiàn)[4]，多級(jí)節(jié)流孔板設(shè)計(jì)時(shí)，各級(jí)節(jié)流孔板的壓降設(shè)計(jì)宜按幾何級(jí)數(shù)遞減，即當(dāng)?shù)?級(jí)節(jié)流孔板實(shí)際壓降為Δp時(shí)，第2級(jí)孔板減壓至Δp/2，第3級(jí)孔板減壓至Δp/22，…，第n+1級(jí)孔板減壓至Δp/2n，直到末級(jí)節(jié)流孔板后的壓力接近實(shí)際壓力。即節(jié)流孔板應(yīng)滿足式（2）和式（3）。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，節(jié)流孔板孔徑按下式計(jì)算：

式中：dk為節(jié)流孔板的孔徑，45mm；G為水流量，10.63t/h；ρ為水的密度，900.9kggm-3；Δp為節(jié)流孔板的前后壓差，8.07MPa。按照4級(jí)節(jié)流孔板進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 逆止閥旁路管道節(jié)流孔板計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得知，節(jié)流孔板在各級(jí)孔板處未發(fā)生阻塞流及汽蝕現(xiàn)象，因此在該方案中采用4級(jí)孔板分級(jí)壓降的方案。

3.1.2 阻塞壓差的另一種評(píng)估方法

文獻(xiàn)[6]中提到另一種阻塞壓差的評(píng)估方法，即使用無量綱數(shù)“汽蝕數(shù)σ”來衡量閥門或孔板等節(jié)流元件汽蝕程度的方法。系統(tǒng)汽蝕系數(shù)（σsystem）為：

式中，p2為節(jié)流孔板后壓力，pvc為流體溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，Δp為節(jié)流孔板前后壓差。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納了4個(gè)汽蝕判斷的準(zhǔn)則：初始汽蝕數(shù)σi、臨界汽蝕數(shù)σc、初始破壞汽蝕數(shù)σid和阻塞汽蝕數(shù)σch，即：

上式中puo=620kPa，pvgo=-84kPa，Do= 76mm，ΔH=0，V為流體黏度，pu為節(jié)流孔板上游靜壓力，pvg為飽和蒸汽壓力（表壓）。

初始?xì)馕g數(shù)σi是最保守的判斷準(zhǔn)則，若σi〈σsystem，則管件中不會(huì)出現(xiàn)即使最輕微的汽蝕現(xiàn)象，這種判斷準(zhǔn)則極為嚴(yán)苛，適用于對(duì)噪聲和振動(dòng)要求極為嚴(yán)格的情況下；臨界汽蝕數(shù)σc相比初始?xì)馕g數(shù)σi的判斷準(zhǔn)則略寬松，適用于大多數(shù)情況，若滿足σc〈σsystem，則可以認(rèn)為無汽蝕現(xiàn)象；初始破壞汽蝕數(shù)σid表示汽蝕現(xiàn)象已有可能開始影響管件的壓力邊界（本文以此作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)）；阻塞汽蝕數(shù)σch則表示汽蝕現(xiàn)象嚴(yán)重到出現(xiàn)阻塞流。

根據(jù)上面的經(jīng)驗(yàn)公式，4級(jí)節(jié)流孔板的系統(tǒng)汽蝕數(shù)σsystem和4個(gè)汽蝕準(zhǔn)則數(shù)σi、σc、σid和σch的計(jì)算結(jié)果，具體見表2，從表中可知，第1級(jí)節(jié)流孔板的σi〈σsystem，表明管件中不會(huì)出現(xiàn)最輕微的汽蝕現(xiàn)象，后3級(jí)節(jié)流孔板的σid〈σsystem，表明設(shè)汽蝕現(xiàn)象可能開始影響管件的壓力邊界，但沒有出現(xiàn)阻塞流現(xiàn)象。

表2 4級(jí)節(jié)流孔板的汽蝕準(zhǔn)則數(shù)

3.2 基于FLUENT的CFD仿真

為深入研究節(jié)流孔板中流體流動(dòng)情況，并驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的正確性，本文利用了計(jì)算流體力學(xué)（CFD）商用軟件ANSYS.FLUENT模擬了4級(jí)節(jié)流孔板內(nèi)的壓力分布狀態(tài)，以驗(yàn)證改進(jìn)的合理性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，第1級(jí)孔板前取6D管徑長(zhǎng)度，其余每2級(jí)之間以及第4級(jí)后取10D管徑長(zhǎng)度，使得孔板之間有足夠的壓力恢復(fù)距離，在GAMBIT網(wǎng)格處理軟件中建立了4級(jí)節(jié)流孔板及其管道的流體區(qū)域模型，并劃分結(jié)構(gòu)性正六面體網(wǎng)格，在孔板處適當(dāng)加密，共計(jì)1286180單元，網(wǎng)格最大扭曲度小于0.34，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-e湍流模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，流體為黏性牛頓流體，不考慮重力影響，考慮流體不可壓縮定常流動(dòng)。對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式，壓力松弛因子取0.7，殘差小于1×10-4判定計(jì)算收斂。

邊界條件使用壓力入口、壓力出口，流體基本物性參為：入口壓力9.09MPa，出口壓力1.02MPa，流量11.8m3/h，水的密度為900.9kg/m3，水的黏度為1.57×104kg/（m·s），管道內(nèi)徑45mm。固體壁面邊界設(shè)定粗糙度因子0.5，絕對(duì)粗糙高度0.05mm。管道內(nèi)軸向壓力分布如圖4所示，圖中縱坐標(biāo)為壓力（MPa），橫坐標(biāo)為距離（m），壓力突變處為節(jié)流孔板處的壓力，從圖中可知最低壓力為第3級(jí)節(jié)流孔板內(nèi)，約0.96MPa，大于水在該溫度下的汽化壓力0.83MPa，因此整個(gè)4級(jí)孔板系統(tǒng)及管道不會(huì)發(fā)生汽蝕。

由計(jì)算可見，孔板內(nèi)壓力及壓降與理論計(jì)算基本一致，計(jì)算偏差小于10%，且每級(jí)壓差均小于阻塞流壓差值，具體見表3。

表3 4級(jí)節(jié)流孔板的計(jì)算壓差

4 效果評(píng)定

為檢驗(yàn)暖泵系統(tǒng)逆止閥旁路管線增加4級(jí)節(jié)流孔板后的實(shí)際效果，在一個(gè)大修周期前后分別對(duì)已改造的主給水泵和未改造的主給水泵的逆流暖泵管線壁厚進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明已完成改造的管線壁厚減薄并不明顯，數(shù)據(jù)大概在0.1mm范圍內(nèi)，而尚未改造有較為明顯的減薄現(xiàn)象，減薄約0.4mm。由此可見，4級(jí)節(jié)流孔板的增設(shè)解決了逆止閥旁路管道的汽蝕問題。

5 結(jié)論

本文通過剖析某核電廠主給水泵出口逆止閥旁路管線斷裂的原因，認(rèn)為主給水泵逆止閥旁路管線及該管線上的閥門承擔(dān)的壓降超出合理設(shè)計(jì)范圍，使逆止閥本身及其所在的管道汽蝕減薄，是管道發(fā)生斷裂的主要原因。并針對(duì)此問題提出多級(jí)節(jié)流、分級(jí)降壓的改造方案，從改造效果看，改造后管壁減薄不明顯，為今后機(jī)組的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性的準(zhǔn)則。

管道壓降較大時(shí)可以按多級(jí)節(jié)流、分級(jí)降壓的原則增設(shè)節(jié)流孔板，需要確定合理的節(jié)流孔板級(jí)數(shù)和各級(jí)節(jié)流孔板間總壓降的分配，根據(jù)介質(zhì)流量確定所需孔板的孔徑來有效地避免汽蝕。判斷孔板是否發(fā)生氣蝕有三種方法，一種方法是采用阻塞壓差Δpm作為判斷節(jié)流孔板相應(yīng)管道是否發(fā)生汽蝕的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出阻塞壓差Δpm和孔板處的前后實(shí)際壓差Δpneed，如果Δpm＞Δpneed，則不會(huì)發(fā)生汽蝕，反之，會(huì)發(fā)生汽蝕；另一種方法是利用臨界汽蝕準(zhǔn)則數(shù)σid判斷節(jié)流孔板是否會(huì)發(fā)生汽蝕，當(dāng)σid〈σsystem，則可認(rèn)為無汽蝕現(xiàn)象；第三種方法是利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）商用軟件ANSYS.FLUENT模擬了4級(jí)節(jié)流孔板內(nèi)的壓力分布狀態(tài)，如果整個(gè)系統(tǒng)的最低壓力大于水在該溫度下的汽化壓力，則可認(rèn)為不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。