壓水堆核電廠常規(guī)島管道振動分析及處理

胡 娜

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095）

壓水堆核電廠常規(guī)島管道振動分析及處理

胡 娜

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095）

本文首先分析壓水堆核電廠管道振動原因，然后探討測量管道振動應(yīng)遵守的規(guī)程規(guī)范，最后根據(jù)相關(guān)原因，分別針對因管系過柔、水錘汽錘、邏輯設(shè)置、節(jié)流件選型、偏離額定工況等造成的振動給出處理建議。關(guān)鍵詞：壓水堆核電廠；常規(guī)島；管道；振動

壓水堆核電廠核島管道均采用抗震設(shè)計，多采用支架和限位，而常規(guī)島管道為非抗震類管道，采用的吊架較多。對于高溫管道，為了不限制管道的熱位移，會設(shè)置多處彈簧吊架。這對管道自身熱膨脹是有利的，但會降低管系的剛度，造成管道在介質(zhì)工況變化時管系振動。國內(nèi)外均出現(xiàn)過多起因管道振動開裂導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏事件，嚴重影響系統(tǒng)功能和人員安全。本文分析壓水堆常規(guī)島管道振動的原因，并給出振動測量和評價方法，對不合格管道提出處理方法。

1 壓水堆核電廠管道振動原因分析

引起壓水堆常規(guī)島管道振動的原因大致有以下幾點。

①管道本身的柔性設(shè)計以及管道布置造成支架難以設(shè)置。采用吊架、彈簧等支撐方式導(dǎo)致管道剛性不足，管內(nèi)介質(zhì)稍有擾動便會產(chǎn)生振動［1］。

②啟停堆、啟停泵過程中會產(chǎn)生水錘、汽錘現(xiàn)象。壓水堆核電廠的蒸汽介質(zhì)多為飽和蒸汽，在管道變向、管徑縮放時極易產(chǎn)生流體狀態(tài)不穩(wěn)定的情形，從而引發(fā)管道振動。

③閥門調(diào)節(jié)功能、聯(lián)鎖邏輯設(shè)置問題。機組運行過程中若閥門聯(lián)鎖邏輯不合理，造成閥門反復(fù)啟閉，調(diào)閥反應(yīng)過于敏感，也會導(dǎo)致介質(zhì)流量的劇烈變化，引起管道振動。

④節(jié)流件選型不合理。調(diào)閥、孔板等節(jié)流件若選型不當，可能造成下游區(qū)域絕對壓力低于該溫度下流體的飽和蒸汽壓力，造成水汽化，產(chǎn)生氣液兩相流。

⑤調(diào)試期間的振動。實際管道及管件的選擇均基于正常運行工況，而各種調(diào)試工況下，存在介質(zhì)流量大于正常運行工況的情況，流量嚴重超過設(shè)計流量，造成管道振動。

2 管道振動測量應(yīng)遵守的規(guī)程規(guī)范

對于常規(guī)島管道的振動測量，一般遵循如表1所示的評定標準。

表1中，允許峰值速度的計算公式如式（1）所示，式中各系數(shù)選取詳見DL/T 1103-2009《核電站管道振動測試與評估》［2］中附錄C.2。

表1 碳鋼管道系統(tǒng)的評定

根據(jù)表1，若實測值在計算允許峰值速度之內(nèi)，需定期對管道振動進行跟蹤，測查振動是否惡化，大修期間檢查支吊架牢固情況及振動管道是否有裂紋、壁厚是否減薄。若實測值高于計算允許峰值速度，建議進行應(yīng)力分析，并對管道進行處理。

3 管道振動的針對性處理方法

3.1 對管系過柔的處理

由管系過柔造成的振動，可考慮采用加固或增設(shè)臨時管道支吊架的方式，增強管系的剛性。此類管道的振動特點是：一般為低頻振動，甚至為速度很慢、幅度較大的晃動。通過增強支承件的剛性（如選用耐受荷載更大的支吊架管部和根部）、縮短支吊架間距、增設(shè)支架、減少吊架的使用，設(shè)計院應(yīng)計算好支吊架間距、支吊架選型。在規(guī)劃管道走向時，應(yīng)使其盡量靠近梁/柱，以最大程度避免由于管系過柔造成的振動。

3.2 對水錘、汽錘的處理

水錘、汽錘現(xiàn)象是常規(guī)電廠包括壓水堆核電廠經(jīng)常遇到的問題。劇烈的水錘及汽錘的強大沖擊力，會加大管道受力而使其變形，嚴重時會造成管道及支吊架的破壞甚至斷裂。此類振動特點為管系突然劇烈晃動，并伴有較大噪音。處理此類振動可以參照以下做法。

3.2.1 進行水錘力計算、管道應(yīng)力分析。在管道應(yīng)力超標處附近，增設(shè)限位裝置，限制關(guān)鍵部位的振幅，減輕損壞程度。對于這類限位裝置，需要通過計算留有合理的間距，結(jié)構(gòu)荷載要留有足夠的余量，后增設(shè)限位裝置處不推薦采用膨脹螺栓、化學(xué)錨栓等，可選擇機械強度大、不易因振動松脫的重型機械錨栓。

3.2.2 增設(shè)液壓阻尼器。借助特殊閥門控制液壓活塞移動，抑制管道或設(shè)備由于受周期性或沖擊性荷載的影響而產(chǎn)生的振動。液壓阻尼器主要用于防止管道或設(shè)備因地震力、液力、汽力沖擊和風(fēng)載所造成的破壞。液壓阻尼器對熱脹冷縮幾乎沒有限制作用，因此對管道的既有的支吊架設(shè)置不會產(chǎn)生影響。

3.2.3 通過合理的邏輯設(shè)置、完善的系統(tǒng)運行規(guī)程，從源頭上消除可能發(fā)生的水錘和汽錘。此種工況應(yīng)結(jié)合實際情況進行實際分析，從機理上去除水錘和汽錘發(fā)生的可能性。如針對SG排污已冷卻排污流形成局部真空，再次熱態(tài)排污帶來的水錘，可通過注水形成下游水實體，或?qū)⑦\行規(guī)程中快開上游閥門改為緩慢打開，也可在上游閥門設(shè)置小旁路閥，先開小旁路閥平衡前后壓力，再開主閥門，以有效避免水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 閥門反復(fù)動作引起的振動

常規(guī)島運行和調(diào)試期間，由于關(guān)斷閥開關(guān)邏輯、調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)邏輯設(shè)置不合理，會導(dǎo)致關(guān)斷閥頻繁啟閉，調(diào)節(jié)閥反復(fù)調(diào)節(jié)，造成管內(nèi)介質(zhì)流量變化劇烈，引起管道振動。對于此類振動，建議做好調(diào)閥的選型，避免選用過大的調(diào)閥。同時，通過完善控制邏輯，如對液位、流量信等進行濾波平滑處理，或?qū)τ|發(fā)信號進行延時處理，信號累計到一定時再觸發(fā)相應(yīng)閥門及泵的動作，避免虛假信號。

3.4 節(jié)流件選型不當造成的振動處理

節(jié)流件選型不當，會造成經(jīng)過節(jié)流件下游壓力降低，容易產(chǎn)生氣液兩相流。此時，在系統(tǒng)初期設(shè)計時應(yīng)注意，對于經(jīng)過節(jié)流孔板或調(diào)閥后，容易產(chǎn)生氣液兩相流的管道，如給水長循環(huán)、加熱器危急疏水等，盡量將節(jié)流件布置在凝汽器附近，安裝節(jié)流件后的管道應(yīng)短且直。此外，可以考慮細化選型，選用兩級孔板或多級孔板，改善單級孔板前后壓降過大造成的汽蝕現(xiàn)象。

3.5 流量與設(shè)計流量偏差大帶來的振動

調(diào)試期間，機組運行工況與正常運行時工況偏差較大。如某核電機組熱試期間，非核蒸汽由旁排引入凝汽器，凝汽器水幕噴水閥門開啟。而此時，凝結(jié)水用戶較少，此時水幕噴水閥門流量遠超設(shè)計流量。造成水幕噴水調(diào)閥后管道嚴重振動，最大振速達到140mm/s，多處支吊架振動松脫。此時，不能通過增強支吊架剛度、阻尼等來解決問題，而應(yīng)結(jié)合實際工況進行分析。

4 結(jié)論

本文分析了因管系過柔、水錘汽錘、邏輯聯(lián)鎖、節(jié)流件選型不當、共振和調(diào)試期間流量偏離正常工況等原因引起的管道振動，并深入分析了振動機理，給出振動測量評價標準，對振動超標的情況，提供增設(shè)支架、減少吊架、設(shè)置限位、增加阻尼器、優(yōu)化運行規(guī)程、合理設(shè)置邏輯、增設(shè)多級孔板、設(shè)置閥門物理開限位等解決方案。

［1］李崗，梁兵兵，殷海峰.核電廠常規(guī)島工藝管道振動改善研究［J］.核動力工程，2012（6）：93-95.

［2］張欣杰.氣液兩相流管道振動機理研究［D］.青島：中國石油大學(xué)（華東），2009.

Vibration Analysis and Treatment of Pressurized Water Reactor Conventional Island Pipeline

Hu Na
（State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Co.,Ltd.，Beijing 100095）

This paper first analyzed the vibration causes of PWR nuclear power plant pipeline,then dis?cussed the rules and norms should abide by the measurement of pipeline vibration,according to the relat?ed reasons,respectively due to pipe vibration,soft water hammer hammer gived treatment recommendations and logic setting,throttle selection,departure from the rated condition caused by.

pressurized water reactor；conventional island；pipe；vibration

TK284.1

A

1003-5168（2017）12-0118-02

2017-11-01

胡娜（1984-），女，碩士，工程師，研究方向：壓水堆核電廠常規(guī)島系統(tǒng)。