反應堆管道系統水錘現象不利影響及防治措施研究進展

張義科，彭 軍，李福春，余 峰，張克強，趙登山，趙占奎，程浩博，雷 琴

（中國核動力研究設計院第一研究所，成都 610041）

關鍵字：反應堆系統；水錘現象；不利影響；防治措施

循環水供水系統是反應堆系統的重要組成部分，主要適用于反應堆蒸汽發生器熱交換、余熱排出以及換熱器熱交換等涉及熱量交換的部分（如圖1 所示）。反應堆多個供水系統和蒸汽系統都曾出現過或大或小的水錘現象。水錘是有壓流體體系中的泵體、閥體等水力部件緊急動作造成流體動量驟然變化而引起的水壓瞬變過程，是管道系統中由水力撞擊引發的一系列壓力驟變且交替變化的行為。當管道發生非預期的水錘時，所產生的動力載荷可達管道正常壓強值的數十倍以上，造成管道內及管壁受力情況迅速惡化。水錘的外部表觀為劇烈振動和巨大噪音、管道及其附屬構建物產生共振，嚴重時表現為管道及附屬構建物變形、疲勞斷裂和功能性喪失、管網泄漏和供給中斷，系統不能正常運行。

圖1 壓水反應堆流程及原理圖Fig.1 Flow chart and schematic diagram of pressurized water reactor

反應堆的安全運行極大程度上依賴循環冷卻水源的可靠供給，而非設計基準下的水錘現象發生時間短且破壞性強，無論是從反應堆的長期穩定運行，還是反應堆的安全分析來說，水錘現象都是需要關注的問題。科學分析管道中水錘形成機理、嚴謹評估水錘的不利影響以及合理采取干預措施是保障反應堆系統長期安全、穩定運行的關鍵。

本文介紹了國內外水錘現象的研究現狀及進展，重點分析反應堆系統管路水錘現象的成因以及采取的應對措施。

1 國內外研究現狀及發展

1850年Wilhelm Weber 分析壓力管道中水錘波的傳播情況以及管壁彈性與水錘波的內在聯系。1875年Jules等人首次開展水錘試驗，考慮通過建立氣腔室和泄壓閥來削弱閥門關閉引起的水錘沖擊。1891 年Frizell 通過波速與水錘壓力的關系，建立閥門關閉時波速與壓力變化關系。1898 年Joukowaky 闡示水錘原理，首次提出水力瞬變計算公式。1913 年Loreuzo Allievi 關于不穩定流動基本微分方程的論著則奠定了水錘研究的基礎。

在國內，清華大學于20 世紀70 年代開始專注于水錘理論和計算研究，開展主管道事故斷裂下的水錘力及管道變形和甩擺等諸多項目研究，并取得了大量寶貴經驗。王樹人等人的防水錘和旋啟式止回閥水錘性能研究引起國內外的高度關注［1，2］。

反應堆管道系統中普遍存在氣液兩相流共存現象，因此想完全消除機組的水錘現象并不現實。我們只有采取優化工藝流程、選配合理參數以及規范操作流程的方法，才能有效降低水錘發生頻率。美國經過數十年運行和變更設計積累了豐富的經驗和干預措施，但在核電機組建設初期，由于并未足夠重視水錘后果，造成多起嚴重的水錘事故。據統計，20世紀70年代前期相繼報告150 余次核電站水錘事件，其中重水堆和沸水堆核電機組約各占一半。20世紀70年代中期，核電廠水錘發生頻率超過20 事件/年。事件造成4座核電廠管道永久變形和支撐物破壞而被迫停役檢修，另一起汽泡破裂水錘事件則導致安全殼貫穿墻給水管破裂和安全殼體熱變形。

國內大亞灣和嶺澳核電機組都曾發生多起水錘，導致管道系統振動高而自動報警和跳機。

水錘劇烈震顫會導致蒸發器接管彎頭塑性變形，調節閥、止回閥和密封件等部件失效或損壞。因管道設備強度不夠，水錘沖擊波會造成管道裂紋、爆管以及設備損壞等嚴重后果。因此，非設計基準范圍內的水錘對于反應堆系統的長期穩定運行極為不利。

1978 年底，NRC 將水錘列為“尚未解決的安全問題，A-1”（Unresolved Safety Issue A-1‘Water Hammer’）［3］。具有一定危害、非恒定流現象的水錘事件經常發生在核動力裝置管道系統中，產生的噪聲、振動和氣柱分離等危害足以影響甚至破壞系統結構和功能完整性。進入20世紀后，隨著核電站的大規模興建以及福島事件后社會公眾對核安全的關注，國內外對具有潛在威脅的水錘現象更加重視。中國核動力研究設計院等科研院所對核動力裝置潛在水錘現象也開展研究。

近年來，高性能計算機和云計算的運用使得對水錘機理的研究和影響因素的分析不再局限化。為模擬水錘現象對反應堆系統安全性的影響，Kaliatka［4］結合試驗，運用RELAP5/MOD3.3 程序對RBMK-1500型號反應堆主回路系統進行分析，結果表明止回閥的快速動作是主回路水錘現象的主要誘因。Jalil Emadi［5］則通過分析軟件研究非穩態水力條件下系統的水錘現象，得出機組轉動慣量、管道類型以及水溫都可能影響水錘現象的結論。

我國核電事業起步稍晚，對于發生在核電反應堆系統和船艦核動力裝置中的水錘現象，在理論計算、實驗分析及運行經驗等方面與國外還存在一定差距。但近年來我國核能資源開發勢頭強勁，在引進、消化、吸收與轉化等方面有較大突破，在理論計算、模擬仿真以及實驗等方面取得了較多成果，能夠為工程設計、運行操作提供參考依據。

2 水錘現象機理分析及干預

2.1 水錘現象形成機理

水錘具有多重含義，包括經典水錘理論、汽錘以及與兩相流相關的水錘。在經典水錘理論中，水作為流動介質，流動阻斷和氣體空穴是水錘現象的主要誘因。閥門的快速響應引起管道中流體動量急劇變化，導致流體壓力波在管道中傳播并來回震蕩，發出錘擊聲，引起相連管路振動。不同于經典水錘理論，汽錘（蒸汽管道水團沖擊）的流體介質為蒸汽。除允許范圍內的含濕量外，反應堆蒸汽管道中通常不允許攜帶超量的液態水。一般來說，蒸汽管道系統中攜帶液態水就可能發生水錘現象。若蒸汽管道中存在積水，閥門開啟后，積水將隨蒸汽的快速流動而被卷起形成水團，在高壓蒸汽驅動下加速流動，內部表現為沖擊彎管等阻力件，外部則表現為管道及附屬支撐架的劇烈振顫。因此，在介入蒸汽之前，工作人員應采取疏水措施排空蒸汽管道底部積水，避免發生嚴重汽錘現象。與兩相流相關的水錘形成形式更為廣泛，如蒸發器系統出現的氣泡破裂引起的管道空泡以及蒸汽管道中出現冷凝現象等。

2.2 水錘現象的成因分析

反應堆系統管路水錘現象誘導因素較多，國內外就某些特定事故工況下的水錘現象展開研究。

2.2.1 管路系統異常切換

反應堆循環水系統多采用“泵+止回閥”的形式防止倒流，而在系統管路切換過程中，止回閥的啟閉動作均會引起過大或小的水錘現象，造成系統壓力和流量波動。

徐維暉［6］等通過水錘計算特征線法分析900MW壓水堆一回路系統水力過渡過程，開發了FORTRAN 程序，研究并聯泵啟閉和切換工況下的水錘特性，并找出了各支路管道流量、壓差等參數變化規律。研究表明止回閥的啟閉瞬間均會產生一定壓差波動，逐漸衰減為較小的波形振蕩并衰弱。該波動過程導致水錘的強弱及壓差突變大小取決于泵的開啟方式。

左巧林［7］等針對壓水堆一回路系統水錘特點建立物理模型，自主開發了WAHAP 水錘計算程序，該程序模擬4 臺并聯泵的啟動和切換工況。研究結果表明，泵的啟動與切換過程中有2 個不同階段出現了多次閥瓣劇烈撞擊閥座現象以及2種形式的壓差振蕩過程，最大壓差約66 kPa。通過模擬泵體啟動和切換引起的單相水錘過程，研究得到了各支路上瞬態流量和閥門開度隨時間的變化關系。

張新華［8］等對嶺澳核電凝給水系統由于切換過程導致的水錘現象進行了分析。由于凝給水泵出口正高壓，進口負壓，系統可切換止回閥迅速響應并發揮作用，但未設置泄壓或真空破壞裝置，所以引起流速快速變化并導致止回閥處產生水錘沖擊現象。通過水錘模型分析，由于水錘波傳播、反射過程均存在能量損耗，所以實際水錘壓力值和傳播頻率均小于理論值。而發射波和反射波的相互疊加效應使得水錘波能量能夠在短時間內迅速釋放和衰減。

雖然某些工況下啟閉閥門產生的水錘壓力峰值并未超過設計安全值，但根據外部經驗，長期服役的管道等設備老化會導致安全性能降低。因此，對于長期服役的核電反應堆和研究型反應堆，我們應格外關注水錘現象對系統造成的潛在威脅，有必要建立管道和止回閥老化管理體系。

2.2.2 管路系統失電停泵

為研究意外失電停泵工況下造成的水錘影響和系統管路敏感性特征，黃凱［9］等采用APT Im?pulse分別對管網布置高程差、供水泵轉動慣量和隔離閥關閉時間等主要因素進行參數調整，研究供水系統管網壓力波動和真空氣穴情況。研究表明，管網分布方式呈駝峰狀，管網高程差較大時易形成斷流彌合水錘現象。泵出口閥關閉時間過短會造成嚴重閉閥水錘，過長則會導致系統響應不及時。因此優化管道布局和合理設置出口隔離閥啟閉時間是削弱水錘現象不利影響的有效措施。

張慶元［10］等采用APT Impulse 分析某核電廠供水系統的三個典型工況（系統啟動、單序列失電和系統異常切換），得到失電停泵后全管網段最高/最低壓力分布、最高壓力段壓力隨時間的變化關系以及失電工況下全管段的氣穴分布情況。運行序列失電情況下局部區域形成負壓，負壓低至飽和壓力下時，液態水汽化成氣穴，可能形成一定范圍的液柱分離現象。當備用序列啟動形成回升壓力時，氣穴發生潰滅，釋放出強大壓力波，嚴重沖擊閥門與管道等，引發劇烈振動。該方式能有效評估管網布局、設備選型及操作方式的合理性，分析管網薄弱區、水錘風險區以及影響因素，有針對性地采取消除水錘的措施。

胡志敏［11］等分析了失電工況下的單列系統停泵水錘現象，得出結論：由于止回閥落錘重力過大而出現止回時間短，引起較大的壓力峰值，其值大小約為穩定值的2 倍，不利于系統穩定運行。

2.2.3 蒸汽管道水團沖擊（汽錘）

與管路系統異常切換和管路系統失電停泵引起的水錘現象不同，蒸汽管道水團沖擊（汽錘）發生在機組運行期間。

李躍［12］等對秦山核電常規島蒸汽管道的水錘現象進行分析發現，熱調試期間管道底部的凝結水在高速流蒸汽的驅動下形成水波，在水波與蒸汽流的耦合作用下，管道被堅硬的水實體封住，形成“蒸汽驅動水錘”，發出劇烈撞擊聲，直到打開疏水閥，排出積水，此現象才消除。

美國BYRON 核電站主蒸汽系統由于攜帶大量飽和水而發生嚴重水團沖擊水錘事故，造成蒸汽管道支撐架斷裂而不得不停役檢修［13］。

這些足以解釋蒸汽管道水團沖擊現象及其巨大危害。蒸汽系統的另一種水錘方式是“蒸汽泡快速潰滅水錘”，這種方式不同于“蒸汽驅動水錘”。蒸汽泡被過冷凝結水包圍，完成熱量傳遞后由氣態變為液態，原本氣泡占據的空間形成低壓區，被周圍液體迅速填充，并沖擊產生超壓撞擊管壁，其過程類似“汽蝕現象”。

國內外對蒸汽管道系統水團沖擊造成的水錘研究報道相對較少，說明對此類型的水錘還不是特別重視，但卻給核電廠的安全運行造成潛在威脅。周美五［14］提出一種專門針對蒸汽管道系統水錘形成過程以及高溫蒸汽驅動下對管道沖擊力計算評估方法，期望對分析蒸汽管道內的水團沖擊（汽錘）現象提供參考。

2.3 水錘現象的干預措施

為提高核反應堆安全等級，對于大流量下的反應堆循環水系統，我們應盡可能采取削弱水錘的干預措施，將水錘沖擊產生的超高壓力控制在設計范圍內。核反應堆設計初期，在滿足核島系統熱交換和隔離需求的前提下，管道閥門關閉時間不宜過快，以減小管閥水錘載荷。降低水錘載荷方式包括延長閥門關閉時間和增設緩沖裝置等［15］。增設緩沖裝置可能會增加系統冗余度和提高失效概率，因此考慮調整閥門關閉時間。經現場經驗反饋和仿真模擬確認，采用提高起始階段的閥門關閉速度，降低完全關閉前的閥門關閉速度，即可減小壓力波動振蕩和壓力峰值。

為減少蒸汽系統水錘影響，我們可采取優化管道布局和合理設置疏水站等方式。疏水站安裝與蒸汽源應成一定斜度，安裝在上升管道最低處，對于長輸管道應間隔設置疏水站。若要設置輸水管，則應設置在調節閥之前，以便于排出關閉時間長而累積的冷凝水。高溫高壓蒸汽與過冷的凝結水接觸存在潛在的混爆，因此，本文建議在蒸汽投運之前全開疏水閥門，排凈上游冷凝水，且確保蒸汽總管疏水干凈。

3 結束語

任何影響反應堆正常安全運行的潛在威脅都可能釀成重大核安全事故。任何對核安全的不重視都是對人類生存發展的不負責。在享受核能資源帶來重大成果的同時，我們更應關注反應堆運行中的點滴行為。本文總結了國內外水錘現象的研究現狀及發展趨勢，分析了形成機理及相關成因。本文的分析將有助于識別和分析水錘問題，及時采取應對措施和優化方案，保障反應堆系統安全運行。