核電廠管道振動(dòng)原因分析及對(duì)策

黃翠軍

摘要：管道系統(tǒng)是核電站的重要組成部分，對(duì)核能發(fā)電有著非常直接的影響，而管道振動(dòng)則是一直以來(lái)引發(fā)管道疲勞損壞等一系列事故、阻礙核電站正常運(yùn)行的重要問(wèn)題。為此，本文從流體脈動(dòng)、水錘沖擊、自然因素、人為因素等多個(gè)角度入手，對(duì)核電廠管道振動(dòng)的主要原因進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一些較為可行的應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞：核電廠；管道振動(dòng)；設(shè)備

引言：

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與人民生活水平的逐漸提高，我國(guó)社會(huì)電力需求以及供電壓力都變得越來(lái)越大，在這一背景下，核能作為當(dāng)前最為重要的清潔能源開(kāi)始的得到了廣泛重視，而我國(guó)的核電站應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大之中。然而由于管道振動(dòng)等一系列問(wèn)題的影響，核電廠的正常運(yùn)行卻一直存在著很大的限制，因此，如何有效解決管道振動(dòng)問(wèn)題也就成為了當(dāng)前核電廠所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

一、核電廠管道振動(dòng)的主要原因

（一）流體脈動(dòng)

流體脈動(dòng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是管道內(nèi)流體因速度或壓力不穩(wěn)定而形成的呈周期性變化的流動(dòng)狀態(tài)。在核電廠中，管道通常需要通過(guò)泵進(jìn)行間歇性的加壓才能夠完成對(duì)流體的輸送，而這樣不穩(wěn)定的壓力自然就很容易使管道內(nèi)出現(xiàn)脈動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生激蕩力，造成管道的振動(dòng)。這樣的管道振動(dòng)幅度并不，也基本不會(huì)對(duì)管道造成影響，但由于管道會(huì)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)壓器、熱交換器等設(shè)備，因此一旦管道內(nèi)流體在脈動(dòng)狀態(tài)下流經(jīng)這些部分的管道，就很容易使這些設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)損傷或引發(fā)振動(dòng)疲勞破壞事故，影響核電廠的正常工作。

（二）水錘沖擊

水錘沖擊又被成為水錘現(xiàn)象，實(shí)際上只是一種形象的說(shuō)法，通常指給水泵在啟動(dòng)和停止時(shí)，因水流沖擊而在管道中產(chǎn)生的一種嚴(yán)重水擊，通常可分為啟動(dòng)水錘、關(guān)閥水錘以及停泵水錘幾種[1]。在核電廠中，水錘沖擊現(xiàn)象是十分常見(jiàn)的，由于管道內(nèi)水體流動(dòng)是由管道閥門(mén)與水泵控制，因此一旦水泵、管道閥門(mén)突然開(kāi)啟或關(guān)閉，水體的流速就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)巨大變化，在加上管道的內(nèi)壁比較光滑，因此水流就會(huì)在慣性的作用下產(chǎn)生巨大的壓力，進(jìn)而產(chǎn)生破壞作用。而除了最直接的沖擊破壞意外，水壓也會(huì)在管道內(nèi)形成周期性傳遞衰減的膨脹波或是壓縮波，而這種膨脹波或壓縮波則會(huì)直接引起管道的振動(dòng)，長(zhǎng)期下來(lái)，就極有可能給核電廠帶來(lái)意外停電、機(jī)械故障等事故。

（三）旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)

核電廠中對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的使用是非常普遍的，如風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、水泵等都屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的一種，這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部部件通常會(huì)進(jìn)行快速的旋轉(zhuǎn)，這樣一來(lái)旋轉(zhuǎn)設(shè)備自然也就會(huì)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)。在大多數(shù)的情況下，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)都會(huì)限制在一定程度之內(nèi)，并不會(huì)對(duì)管道或其他設(shè)備造成太大的影響，但如果出現(xiàn)設(shè)備軸承磨損、質(zhì)量偏心、設(shè)備所用材料不均勻、制造過(guò)程中存在誤差或是地面、樓面剛度不足等情況，就很容易導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)設(shè)備直接出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)或是因重心偏離軸線而導(dǎo)致的振動(dòng)超標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致管道的振動(dòng)疲勞開(kāi)裂。

（四）氣液兩相流動(dòng)

氣液兩相流動(dòng)是多相混合物流動(dòng)的一種形式，主要是指氣體、液體兩種不同流動(dòng)介質(zhì)在同一流動(dòng)體系中的一種流動(dòng)現(xiàn)象，通常存在于管道系統(tǒng)之中。由于這種流動(dòng)現(xiàn)象的流動(dòng)形態(tài)比較復(fù)雜、密度差異也比較大，因此一旦流體體系中的流體在速度或方向上出現(xiàn)變化，就會(huì)直接導(dǎo)致管道系統(tǒng)的振動(dòng)[2]。而在核電廠中，這種現(xiàn)象同樣是非常普遍的，如動(dòng)力系統(tǒng)管道、物料輸送管道等都很容易出現(xiàn)企業(yè)兩項(xiàng)流動(dòng)的現(xiàn)象，而一旦管道中的流體與外界出現(xiàn)熱交換，管道中的氣液比就會(huì)在熱脹冷松的影響下發(fā)生變化，進(jìn)而使局部流體對(duì)管道造成沖擊，導(dǎo)致管道振動(dòng)，此外，如果管道經(jīng)過(guò)其他設(shè)備或元件，同樣很可能因管道壓力變化而出現(xiàn)局部管道得流動(dòng)沖擊并導(dǎo)致管道振動(dòng)。

（五）節(jié)流氣板過(guò)度節(jié)流

節(jié)流氣板是核電廠管道系統(tǒng)中的重要部分，其主要功能是通過(guò)增加系統(tǒng)阻力的方式來(lái)限制管道內(nèi)流體的流速，能夠?qū)艿老到y(tǒng)的正常運(yùn)行起到非常大的幫助，但由于目前我國(guó)在管道系統(tǒng)節(jié)流氣板的設(shè)計(jì)上仍不夠成熟，而節(jié)流氣板對(duì)于參數(shù)的要求又比較精細(xì)，因此在設(shè)計(jì)中常常會(huì)出現(xiàn)一些計(jì)算誤差。這些誤差會(huì)直接導(dǎo)致節(jié)流氣板的過(guò)度節(jié)流，并在節(jié)流氣板的下游造成氣蝕現(xiàn)象。而在氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的沖擊力作用下，節(jié)流氣板下游的材料會(huì)發(fā)生疲勞脫落，使節(jié)流氣板表面出現(xiàn)小凹坑，進(jìn)而發(fā)展成大面積的凹坑甚至是孔洞。同時(shí)，除了沖擊力直接造成的疲勞破壞，氣蝕現(xiàn)象所產(chǎn)生的沖擊力還也使管道在沖擊下出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，

（六）自然因素

自然因素主要是指一些外界自然現(xiàn)象或是自然災(zāi)害對(duì)管道造成影響并導(dǎo)致管道振動(dòng)。例如當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)天氣時(shí)，由于核電廠管道系統(tǒng)有很大一部分處于室外，因此在空氣橫流經(jīng)過(guò)管道的外表面時(shí)，尾流就會(huì)在管道的阻礙下出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)旋渦，而管道在這種不對(duì)稱(chēng)旋渦的影響下，自然也就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象[3]。此外在發(fā)生地震時(shí)，由于管道系統(tǒng)本身的質(zhì)量與體積均比較小，內(nèi)部流體管道本身的密度差異又比較大，因此就會(huì)在地震的影響下出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)，而一旦因地震導(dǎo)致管道支架或周?chē)渌O(shè)施的坍塌損壞，管道則會(huì)在應(yīng)力的影響下出現(xiàn)更大程度的振動(dòng)。

（七）其他人為因素

核電廠的管道系統(tǒng)比較復(fù)雜，規(guī)模也比較大，無(wú)論是安裝施工還是前期的設(shè)計(jì)工作都具有著一定的難度，而一旦在這些過(guò)程中出現(xiàn)施工操作失誤或是存在設(shè)計(jì)不合理之處，同樣很可能導(dǎo)致管道的振動(dòng)。如核電廠管道系統(tǒng)的支架大多為導(dǎo)向支架，這些支架雖然與管道會(huì)存在幾毫米的縫隙，但卻仍然可以起到很好的振動(dòng)傳遞效果，因此一旦因設(shè)備或其他外界因素而使管道支架產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)就會(huì)迅速通過(guò)支架傳遞給整個(gè)管道系統(tǒng)，進(jìn)而造成管道的振動(dòng)疲勞損傷，而如果支架存在擺放位置錯(cuò)誤、支撐不牢固等問(wèn)題，這一振動(dòng)還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)管道造成更大的影響。這些人為因素雖然與氣錘沖擊、旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)等因素相比發(fā)生概率比較低，但情況卻十分復(fù)雜，可能造成的危害也是非常嚴(yán)重的。

二、核電廠管道振動(dòng)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略

核電廠管道振動(dòng)問(wèn)題的原因十分復(fù)雜，因此對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略也是多種多樣的，必須要從管道系統(tǒng)的全生命周期入手，采取多樣化且具有針對(duì)性的手段，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這一問(wèn)題的有效控制。首先在管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，要在管道線路的選擇與布置上盡量減少與其他設(shè)備的接觸以及氣柱諧振，從而降低流體脈動(dòng)的影響。同時(shí)在節(jié)流氣板的設(shè)計(jì)上則要采取多級(jí)節(jié)流氣板的設(shè)計(jì)，并對(duì)調(diào)節(jié)閥等部件進(jìn)行改進(jìn)，從而避免過(guò)度節(jié)流現(xiàn)象的發(fā)生。其次，在管道系統(tǒng)的施工過(guò)程中，要規(guī)范施工操作，保證設(shè)備、管道的性能與質(zhì)量，避免因元件、設(shè)備選擇錯(cuò)誤或是安裝不合理而導(dǎo)致管道振動(dòng)。最后在管道系統(tǒng)的使用階段，核電廠還要做好管道振動(dòng)的各種防護(hù)措施，例如針對(duì)水錘沖擊現(xiàn)象，可以采取補(bǔ)氣穩(wěn)壓、泄水降壓等方式來(lái)控制水泵、管道閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)的水壓，進(jìn)而避免出現(xiàn)水錘效應(yīng)。而通過(guò)增加支架與阻尼器、安裝減震器等手段則同樣能夠?qū)πD(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)、水錘沖擊、氣液兩相流動(dòng)等難以完全避免的問(wèn)題進(jìn)行有效緩解或控制。此外，在設(shè)備采購(gòu)、核電廠建設(shè)等方面，同樣與管道振動(dòng)有著直接的聯(lián)系，例如在采購(gòu)旋轉(zhuǎn)設(shè)備時(shí)，如果能夠保證設(shè)備質(zhì)量，因旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)而導(dǎo)致的管道振動(dòng)就會(huì)大大減少，而通過(guò)合理的選址與布局設(shè)計(jì)，則能夠盡可能避免風(fēng)力、地震對(duì)管道造成影響。

結(jié)束語(yǔ)：

總而言之，核電廠的管道振動(dòng)問(wèn)題十分復(fù)雜，導(dǎo)致管道振動(dòng)的原因也是多種多樣的，要想對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行有效解決，不僅要對(duì)其可能存在的各類(lèi)原因進(jìn)行明確了解，同時(shí)還要在管道設(shè)計(jì)、安裝施工、使用等各個(gè)階段的細(xì)節(jié)加以注意，做好管道振動(dòng)的預(yù)防工作，并掌握合理的處理應(yīng)對(duì)措施，從而將管道振動(dòng)的影響降到最低，盡可能避免管道振動(dòng)疲勞損壞事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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[3]戴賢源，趙賀.核電廠管道振動(dòng)問(wèn)題診斷及處理[J].科技視界，2017（03）：227.