凝汽器真空系統(tǒng)管道汽蝕問題探討

袁勝濤 梁鵬飛

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 概述

汽輪機的正常運行依賴于從凝汽器中排出的不凝結(jié)氣體提供的合適背壓，因此凝汽器真空系統(tǒng)作為汽輪機必不可少的輔助設施，其能否長期穩(wěn)定可靠運行直接影響到汽輪機的運行安全和壽命。凝汽器真空系統(tǒng)運行流程圖如圖1 所示，真空泵將凝汽器中的不凝結(jié)汽體抽出并將其送入汽水分離器，分離出的汽體從分離箱的頂部排至大氣或核輔助廠房通氣系統(tǒng)。

圖1 凝汽器真空系統(tǒng)流程簡圖

目前，國內(nèi)某核電站在運行期間經(jīng)常發(fā)生真空泵入口管道彎頭泄漏事故。對事故現(xiàn)場進行判定和總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，管道彎頭上有多處穿孔現(xiàn)象發(fā)生。為了避免管道彎頭泄漏事故的再次發(fā)生，核電站相關工作人員將原有的碳鋼彎頭更換為316 不銹鋼彎頭。然而，核電站正常運行一段時間之后管道彎頭穿孔泄漏事故依舊發(fā)生，彎頭穿孔宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 彎頭汽蝕宏觀形貌

1 汽蝕機理

汽蝕是由于液流流道中的局部低壓(低于該處溫度下液體的飽和蒸汽壓)使液體在該處汽化而引起大量微汽泡爆發(fā)性生長,微汽泡急劇生長成大氣泡后隨液流至壓力高處突然潰滅,對流道壁面產(chǎn)生高達幾百個大氣壓的沖擊,造成壁面材料剝蝕。，汽蝕的產(chǎn)生與液體的物性、溫度、流速、壓力、過流表面粗糙度等有相當大的關系。汽蝕破壞機理可以歸納為以下3 方面：

（1）機械作用：大量的氣泡匯聚成群并隨著水流運動，當它們進入壓力升高的區(qū)域，便瞬息潰裂，在氣泡瞬間破裂時，伴隨發(fā)生兩種性質(zhì)的水擊壓力，一種是由于流體力在瞬間充滿該空間，而產(chǎn)生的沖擊壓力，另一種是屬于球體自由破裂所產(chǎn)生的聚能壓力。水擊壓力引起材料破壞主要有兩種形式：一種屬于在屈服點內(nèi)的疲勞破壞。一種屬于超過屈服點后的變形破壞。在汽蝕侵蝕之下，材料破壞的過程本質(zhì)上是一種疲勞過程，其后果是表面發(fā)生剝蝕，在粗糙的表面，由于應力集中而加速汽蝕的破壞。

（2）化學作用：氣泡在壓縮時放出一定的熱量，同時由于水擊壓力對金屬表面的反沖擊也會產(chǎn)生局部高溫，在氣泡凝聚時局部溫度可達數(shù)百度，因而加速了金屬表面的氧化作用。

（3）電化學作用：在汽泡潰滅時的高溫高壓作用下,金屬晶粒中形成熱電偶,冷熱端之間存在電位差,對金屬表面產(chǎn)生電解作用,造成電化學腐蝕，進而加速了機械侵蝕。

2 問題分析

根據(jù)各種水質(zhì)含氣汽蝕試驗可知，當水流無氣核存在時，理論上水流內(nèi)部不發(fā)生汽化，不會對過流壁面造成汽蝕破壞，只有當水流中含有一定量的氣體時，才能引起水流汽化，造成過流壁面的汽蝕破壞。在一定范圍內(nèi)，水中的氣體含量越多，其使材料汽蝕破壞的能力越大；但當水流中含氣量達到一定程度后，含氣將改變水流的物性，使過流壁面汽蝕破壞又趨于減弱。研究表明，當水流中的氣泡經(jīng)過焊縫時，由于焊縫會引起流道空間結(jié)構(gòu)的變化，因此很容易在焊縫處形成一固定的汽穴，當水流能量足夠大時，則可形成了流向與主流方向相反的回流。由于固定型汽穴的尺寸有限，故回流的水量很快充填固定型汽穴的空間，并使汽穴的壓強急劇上升，以致汽穴的內(nèi)表面不能持續(xù)其正常的平衡狀態(tài)，使其潰滅或帶入下游，潰滅時則對物體表面產(chǎn)生一種沖擊。

根據(jù)Rayleigh 理論計算可得氣泡潰滅時產(chǎn)生的壓力可達P=2500kg/cm2，當然實際水壓力要比理論壓力小些，但也足以造成一定的損壞。

氣泡在固定汽穴處的產(chǎn)生與潰滅的過程，就是對管壁焊縫處造成破壞。當破壞超過材料的疲勞極限后，材料表面就會發(fā)生脫落。材料表面的粗糙又加速了其產(chǎn)生汽蝕的速度，造成惡性循環(huán)、周而復始，最終導致管壁穿孔的發(fā)生。氣泡潰滅時所產(chǎn)生的熱量及放電現(xiàn)象，也加速了破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

汽蝕在彎頭部分的破壞主要是游動氣泡在潰滅時所造成的破壞。流動的水流中含有一定的氣泡，當水流經(jīng)過彎頭時，其水流的方向發(fā)生了改變。水流方向的改變造成了氣泡周圍壓力的變化，因此打破了氣泡保持穩(wěn)定的條件，使其發(fā)生潰滅，當氣泡發(fā)生潰滅是在管壁附近時，就將會對管壁產(chǎn)生一定的破壞，氣泡不斷的潰滅，管壁不斷的遭到破壞，最終造成管壁的內(nèi)表面發(fā)生脫落現(xiàn)象，由于氣泡的不固定，因而形成了管壁損壞的不均勻性，其最終現(xiàn)象為彎頭處管壁大面積被破壞，形成麻坑狀，造成管壁的粗糙，管壁的粗糙，又加速了汽蝕的發(fā)生速度，最終管壁穿孔損壞。

在焊接熱循環(huán)作用下，焊接熱影響區(qū)處母材的組織和性能會發(fā)生明顯的變化，焊接熱影響區(qū)的性能在很大程度上決定了整個焊縫的力學性能。硬度作為反映材料成分、組織和性能的一個綜合指標，也直接決定了焊縫熱影響區(qū)抵抗汽蝕的能力。由于焊縫處的空間結(jié)構(gòu)變化，汽蝕現(xiàn)象容易在此處發(fā)生，而焊縫硬度的升高會導致材料綜合性能的惡化，因此二者的相互疊加作用使得焊縫處汽蝕破壞尤為明顯。

3 減少汽蝕破壞的措施

1）在受汽蝕的彎頭上游安裝噴淋裝置

汽蝕的產(chǎn)生，主要是因為液流中夾雜著氣泡，在輸送過程中氣泡潰滅而造成的破壞。

如何使水中的氣泡減少是解決汽蝕的首要問題，根據(jù)流體力學等有關資料可以證明，水中的氣泡比水的質(zhì)量要輕，因而可以在輸送管道上安裝排氣裝置，空氣排氣裝置應設置在垂直管道的彎頭部。排氣裝置主要由自動排氣閥、集氣箱組成，當水流經(jīng)彎頭時，由于汽泡比水輕，且在此做暫短的回流，將有部分氣泡集中在集氣罐上部，當氣體壓力達到預設閾值時，排氣閥自動打開進行排氣，從而達到減少水中氣泡容量的目的，汽泡的減少使得汽蝕發(fā)生的機率減少，從而減輕汽蝕的發(fā)生。

然而，此方法并不適用于凝汽器真空系統(tǒng)管道，這是由于凝汽器正常運行時的工作壓力保持在5.1kPa，此壓力遠遠低于大氣壓（0.1MPa），凝汽器真空管道中的汽體在無外力作用下無法自動排向大氣，進而也無法起到減少汽體對管道的汽蝕影響。

檢驗結(jié)果表明，汽蝕現(xiàn)象發(fā)生在真空泵的入口管道彎頭處，而真空泵本體卻沒有發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。這是因為為減輕真空泵的汽蝕在設計中特意添加了噴淋回路，此管路是將密封水從汽水分離器底部經(jīng)熱交換器由吸入噴淋嘴進入真空泵。噴淋使從凝汽器吸入的空氣/水汽混合物產(chǎn)生預凝結(jié)效應，從而減少了不凝結(jié)汽體的含量，進而提高了水泵性能。

由上述分析可以得出，在介質(zhì)流經(jīng)的路徑中設置噴淋裝置可以有效的減少汽蝕對管道的影響。

2）改變彎頭部過流面的曲線，減緩介質(zhì)流動壓力的變化，也可減少汽蝕對彎頭的破壞。目前已有單位采用球型彎頭來緩解汽蝕破壞的發(fā)生。實踐表明此方法在使用過程中是切實可行的。

3）減輕吸入管阻力損失，汽蝕主要來源于吸入管管壁與介質(zhì)之間的摩擦。所以，必須盡量減少摩擦損失，即：增大管徑，盡可能減少管線長度、彎頭個數(shù)，保證管內(nèi)壁光滑潔凈，少安裝閥門和節(jié)流孔板。

4）優(yōu)化焊接工藝，控制焊縫成形成性，保證焊接接頭內(nèi)壁光滑，也可大大減少汽蝕破壞程度。采用先進的焊接方法，如激光焊接、全方位充氣保護焊接，可有效改善焊縫質(zhì)量，大大降低焊接熱循環(huán)過程對焊縫熱影響區(qū)的影響，從而提高焊縫性能，大大提高焊縫抗汽蝕破壞的能力。因此，采用高硬質(zhì)合金以及合理的焊接工藝是提高管道抵抗汽蝕破壞的有效措施。

4 結(jié)論

汽蝕是造成電站冷凝器真空管道破壞最主要的原因之一，但通過合理的管路設計和優(yōu)化管道焊縫力學性能可以有效的控制汽蝕所帶來的破壞，從而保證電站的運行安全。

［1］陳卓如.工程流體力學[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社,1987.

［2］董金華,朱玉峰.離心泵的汽蝕防護技術及其進展[J].輕工機械,2004.