核電廠管道振動原因分析及對策

胡士光，沈小要

（上海核工程研究設計院 工程設備所，上海 200233）

核電廠管道振動原因分析及對策

胡士光，沈小要

（上海核工程研究設計院 工程設備所，上海 200233）

管道是核電廠主要的組成部份。核電廠管道的振動往往引起管道的振動疲勞，長期積累致使管道開裂，嚴重時核電廠被迫停堆檢修，甚至造成災難性事故。為了減少此類事件的發生，本文總結了誘發核電廠管道振動的主要原因，有旋轉設備的振動、水錘、流體脈動、氣蝕、氣液兩相流、風載荷、地震載荷和人為誤差等幾種，并列舉了相關事件案例，提出了常見的整改方案。本文旨在為核電廠管道的設計、建造、維護與整改等工作提供必要的參考依據。

振動與波；核電廠；管道；原因分析；整改

振動是核電廠管道失效的一個主要原因，嚴重時誘發多起事故，被迫停堆檢修。1986年美國Surry核電廠二回路高能碳鋼管線振動誘發泄露，引起人員傷亡事故[1]；1987年12月，美國Farley核電站2號機高壓安注管線振動開裂，誘發泄露事故；1988年6月，美國Genkai核電站余熱去除系統與主管道相接管線發生振動開裂；1995年9月，美國三里島核電站1號機主管道冷段疏水管振動開裂[2]。此外，美國電力研究院統計，1970—1999年間，全球核電廠管道由于振動誘發的失效的案例有54起[3]。1991年，法國Belleville核電廠2號機組安全注入系統（RIS）2個小支管焊縫發生振動開裂，法國電力公司（EDF）同類CPY機組也曾發生類似焊縫振動開裂事件[4]。2003年6月，秦山地區某核電站1號機組穩壓器噴淋管線在靠近穩壓器進口管嘴附近發生振動開裂，2013年2月，2號機組該管線同類位置也發生了振動開裂[5]。振動導致管道疲勞開裂，嚴重時誘發泄露，造成停堆檢修，所以核電廠振動問題已經引起國內外研究人員的廣泛重視[6,7]。本文將針對核電廠現場中常見的失效案例，總結管道振動的主要原因，為核電廠的建設和現場的整改施工，提供必要的理論指導。

1 旋轉設備誘發的振動

旋轉機械是核電廠的關鍵設備，傳遞給與之相連的管道上的激振力是管道振動的主要激勵源之一。對于秦山600 MW核電廠1號機組的16個系統228個點位的管道振動進行測量，其中6.6%點位的振動超限，在2號機組16個系統167個點位中，有4.2%的點位超限，主要在設冷水系統，而與它們相連的旋轉設備中有10%的振動略大，為C級[6]。大亞灣和嶺澳核電站投運以來，冷凝泵多次發生振動高報警，啟動后管系振動大[8]。

核電廠實際運行階段發現旋轉設備產生振動的原因，大多數來源于地面基礎剛度不足、軸承磨損、質量偏心、樓面剛度不足以及動平衡等。另外，核電廠中旋轉機械設備所用的材料不均勻、制造過程存在的誤差、旋轉過程中受到磨損以及外界的腐蝕作用等，會使旋轉機械轉動部分在運轉過程中重心偏離正常軸線。

旋轉設備的振動在核電廠廣受關注，除了其自身振動超標，旋轉設備的振動也往往會引起管道的振動，引起疲勞開裂，嚴重時造成災難性事故。為了減少旋轉設備導致的振動，需要從旋轉設備設計、安裝方面做好工作。在上述2號機組16個系統167個點位中，經過對相連旋轉設備設計改進后，振動有明顯下降，全部滿足要求[6]。

2 流體脈動產生的振動

管道內流體參數（壓力、速度、密度等）隨時間、位置呈周期性變化的現象稱為“流體脈動”，內部的流體輸送是通過泵對其進行間歇式加壓實現。由于這種間歇式的加壓方式，管道內部的流體壓力在某一穩定值上下脈動，當處于脈動狀態的流體流經彎管、異徑管、調節閥、節流孔板等管道部件時，產生隨時間變化的激振力，引起管道及其附屬設備發生振動[9]。實際工程中經常會遇到由于流體脈動作用而誘發結構振動損傷。謝永城[10]等發現在主蒸汽旁排閥一般情況下，振幅為0.325 mm，當旁排閥處于某一開度時，振動會劇增至5.7 mm，這也是高速蒸汽流引起管道共振。又如核級熱交換器是核輔助系統的重要設備，其殼側流體引起傳熱管的振動，會使傳熱管產生疲勞破壞。據相關調查發現，將近有40%多的核電廠發生蒸汽發生器和熱交換器傳熱管的振動疲勞破壞事故，導致計劃外停堆。另外，核電廠穩壓器排放管振動屬于典型的瞬態振動，其安全閥組件上游管中有水塞，當安全閥組件在很短時間內打開時，水塞受蒸汽推動下不斷加速而引起排放管發生較大的瞬態振動[11]。

為了減少流體脈動產生振動需要從管路的選型、管路的布置、減少氣柱諧振三個方面考慮。

3 水錘沖擊產生的振動

當管道中的閥門突然啟閉或者水泵的突然開停，管道內的水流速度首先在閥門處發生突變，使管道內水壓形成壓縮波和膨脹波，并在管道內周期性的傳遞衰減，直至壓力穩定，這種現象稱為水錘。水錘從不同角度可分為四類：按關閥歷時與水錘相的關系分為直接水錘和間接水錘；按水錘成因的外部條件可分為啟動水錘、關閥水錘和停泵水錘；按水錘水力特性可分為剛性水錘理論和彈性水錘理論兩種；按水錘波動的現象分為水柱連續現象和水柱分離的水錘現象兩種。

水錘現象嚴重影響了核電廠的安全生產。據有關資料介紹[12]，三回路發生的水錘事故約占壓水堆核電廠水錘事故的9%，意外停電或機械故障造成水泵突然停止運行是導致三回路水錘事故發生的主要原因。在華東、中南等4個地區有30多個較大泵站，都發生過水錘現象，記錄到損失較大的事故多達200次以上。

水錘防護措施現場通常有三種：補水(注氣)穩壓，防止產生水柱分離或升壓過高的斷流彌合水錘；泄水降壓，避免壓力陡升；使用多功能水泵控制閥。

4 氣蝕誘發管道的振動

在核電廠管道系統設計中，大量采用節流孔板來增加系統阻力，限制管道流速。目前，關于節流孔板的設計和分析還沒有標準化要求，在設計過程中通常是依據設計者的經驗以及一些實驗室得出的經驗公式，這樣設計出的節流孔板容易造成節流孔板過度節流，在節流孔板下游發生氣蝕現象，引起管道振動和噪聲，給核電廠安全帶來不利影響[13]。大亞灣核電站安全殼噴淋系統(EAS)試驗管線節流孔板氣蝕引起的管道劇烈振動和噪聲[14]，神華廣東國華粵電臺山發電有限公司600 MW機組在啟動過程中，凝結水通過再循環調節閥時，出現氣蝕誘發再循環管道出現較大的振動[15]。

對于氣蝕現象的治理主要從根源做起，比如優化節流孔板，改進調節閥等。中國核動力研究設計院的張毅熊等人按氣蝕數相近的原則設計多級節流孔板，并結合EAS實驗對管線孔板氣蝕引起的振動進行了分析和改造，有效解決了核電廠中由于節流孔板氣蝕引起的管道振動問題[13]。

5 氣液兩相流產生的振動

氣液兩相流動是指在同一流動體系中，同時存在氣相和液相兩種流動介質的流動現象。氣液兩相流體在管道中輸送時流動形態復雜多變，各不相同，可形成多種流型，各處的密度不完全相同，在流體流動速度和流動方向發生變化時會引起管道系統的劇烈振動。

氣液兩相流在石化廠、煉油廠和核反應堆等裝置相關管系里的應用非常普遍。例如動力工程中鍋爐蒸發管中的蒸汽/水兩相流動，化工工業中物料輸送管道和反應釜攪拌器中的氣液兩相流等。當氣液兩相流存在與外界的熱交換時，流體吸收或散熱，氣液比發生變化，在局部會產生流體沖擊；尤其是存在向外散熱的情況時，流體中的介質蒸汽可局部冷凝，其體積在瞬間發生很大的變化，附近液流高速移動占據這個空間，形成沖擊引起振動。同時，氣液兩相流因各相密度和速度差異，導致各處流動形態不完全相同，在遇到彎頭、異徑管、三通、噴嘴等元件時，由于壓力和動量矢量的變化，會對管道產生激振力而引起振動。

氣液兩相流動誘發管道振動問題已有很多相關報道[15,16]。

6 風載荷、地震載荷引起的振動

6.1 風力引起的振動

室外管道當空氣橫流繞過其非流線型的外表面時，在空氣流的尾流中就可能出現不對稱旋渦，從而激擾管道系統振動。大振幅的振動是出現在渦街頻率與管道的固有頻率相接近時。

6.2 地震引起的振動

地震也會引起管道的隨機振動。

同與管道連接的設備相比，管道質量較輕、體積較小，當地震發生時，管道會振動。但是，由于地震導致管道破壞的可能性很小，往往地震時管道破壞的原因多為設備或管道支架的坍塌聯動，對管道施加應力引起的。

因此，對于風載荷、地震載荷振動的防護，主要要從核電廠的建造設計著手。

7 人為因素引入的管道振動

設計、制造、安裝和調試過程，也是引入管道振動的一個原因。比如管道設計不合理，如果管道設計剛度小、固有頻率低或布置過于復雜，管道容易受激振力的影響而發生共振；或者支吊架布置不合理，其主要表現為管路及其支吊架的擺動并伴有“碰碰”的噪聲，振動的時間多發生在啟停機和變工況的時候，振動位置多發生在主蒸汽管道、高低之間正常疏水和危急疏水管路、水泵的出入口管路及再循環管路，高溫高壓容器或主蒸汽管道的有壓放水主管等管路；比如調節閥選型和安裝不合理，調節閥出口處易發生汽蝕，管道內部流體產生汽水兩相流使流動失去穩定性，強大的沖擊力會引起管道振動。

8 結語

核電廠管道的振動是一個比較復雜的問題，引起振動的原因也很多，本文總結了旋轉設備、水錘、流體脈動、氣蝕、氣液兩相流、風載荷、地震載荷和人為誤差等誘發核電廠管道振動的幾種主要原因，并列舉了相關案例，提出了常見的整改方案。研究發現，為了解決核電廠管道的振動問題，需要在設計、加工、安裝、調試、運行等幾個環節做好相應的工作。

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CauseAnalysis of Pipeline Vibration in Nuclear Power Plants and Its Improvement Strategies

HU Shi-guang,SHEN Xiao-yao
(Engineering Equipment Department,Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233,China)

Pipeline is the main component of nuclear power plants.Pipeline vibration can induce fatigue and fracture of the pipeline.Accumulation of the cracks of the pipeline can cause the power plant to shut down,maintenance,and even catastrophic accidents.In this paper,the main reasons inducing the vibration of the pipeline in nuclear power plants,such as the vibration of rotating equipment,hydraulic hammering action,fluid pulsation,cavitation corrosion,gas liquid two-phase flow,wind,earthquake and artificial error were summarized.Some accident cases and common improvement schemes were introducd.This work may provide some necessary

for pipeline design,construction,maintenance and overhaul in nuclear power plants.

vibration and wave;nuclear power plant;pipeline;cause analysis;improvement

TB4

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.045

1006-1355(2015)03-0208-03

2015－02－07

胡士光（1978－），男，遼寧大連人，本科，主要研究方向：核電廠非標設備設計。E-mail:propose@snerdi.com.cn

沈小要，男，安徽宿州人，博士，高級工程師，主要研究方向：反應堆結構力學。E-mail:shenxy@snerdi.com.cn