壓水堆核電廠水錘機理及分析策略

樊凱軍，呂 濤，徐 皎，張 強，魏國軍，張藤飛

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

核電廠的流體輸送任務基本上是通過有壓管道實現的，由水錘引起的瞬態是有壓管道運行中最主要的風險，因此研究水錘機理及分析策略對核電廠運行安全有重要的現實意義。

水錘是有壓管中非恒定流的一種，本質是“流體的慣性”。本文所描述的水錘不僅包括古典水錘，還包括汽錘以及與兩相流有關的水錘。古典水錘是指當有壓管中的流體速度因某種原因而急劇變化時，引起管內流體內部壓力急劇交替變化，并對管道中元件產生巨大沖擊的現象。汽錘與古典水錘的主要區別在于后者是液態水介質而前者是水蒸汽介質。而與氣液兩相流有關的水錘就復雜得多，主要出現在同時含有蒸汽和過冷水的系統中，是運行電廠最常見的水錘形式，也是本文討論的重點。

1 核電廠水錘的類型及避免建議

基于對國內外工程實踐[1]，電廠中可能導致嚴重水錘的類型可歸納為7種：

類型1：立管中蒸汽冷凝引起的過冷水沖擊(水炮)

立管上帶有閥門的管道，上部有穩定的蒸汽進入，下部連接在常壓過冷水中，在正常工況時，蒸汽供應量等于蒸汽在過冷水中的冷凝量，過冷水在管道中的液位穩定。當立管上閥門關閉或部分關閉時，蒸汽供應量低于冷凝量，過冷水迅速進入管內，后由于流體的慣性，高速運動撞擊閥門，引起局部壓力陡升，進而對管道和閥門產生巨大沖擊力。

避免建議：盡量避免將高溫蒸汽通過管道直接排入低溫水池。

類型2：水平管段中蒸汽和水的逆向流動(蒸汽/水逆流)

水平管道一段上部通入蒸汽，另一端下部注入少量過冷水時，交界面上蒸汽快速冷凝會產生與過冷水流動方向相反的高速蒸汽。在適當條件下，逆流將向段塞過渡，形成截留蒸汽帶。截留蒸汽帶快速冷凝、壓力急劇降低，過冷水快速填充蒸汽冷凝的空間，后由于慣性，高速運動撞擊管道形成水錘。

避免建議：避免通水的管道內充滿蒸汽；主蒸汽管道要有可靠的疏水措施且應配置監測手段。

類型3：加壓水進入豎直的蒸汽管道(蒸汽囊破裂)

當過冷加壓水由底部進入垂直管道或與水平方向傾斜角超過2.4°的管道[1]，上部由于閥門關閉類似于充滿飽和蒸汽且封閉的管道，在管道中會形成一個前端湍流大與后部湍流小的蒸汽泡，并向管道上方移動，蒸汽中的熱量通過蒸汽/水界面及管道壁面傳遞出去，內部蒸汽的壓力及體積減小，過冷加壓水向上移動撞擊管道上部。

當過冷加壓水由頂部進入垂直管道，下部類似于充滿飽和蒸汽且封閉的管道。如果過冷加壓水流量較大時，在管道形成栓塞流動，蒸汽泡將在豎直管道較低部位聚集，最終破裂，使局部壓力上升，產生水錘。

避免建議：關注閥門的泄漏問題，避免向含有較高溫蒸汽的管道內充水。

類型4：熱水進入低壓管線(低壓疏水)

當熱水迅速地通過打開的閥門或節流裝置至低壓管道，導致熱水在閥門或節流裝置喉部阻塞，節流裝置上游發生撞擊水錘；節流裝置下游管道由于發生閃蒸體積增大，可能發生水塞(形式5：水塞)。

避免建議：盡量避免高溫管道快速泄壓(尤其下游管道含有冷凝水)，可逐漸緩慢地降壓，避免產生破壞性水錘。

類型5：蒸汽推動水塞的沖擊(水塞)

蒸汽管道已有局部段被水堵塞或冷凝水初始在U形管線中沒有完全填滿管道橫截面，當快速流動蒸汽推動冷凝水形成完全填滿管道橫截面的水塞時，蒸汽流推動水塞加速移動，當高速移動的水塞遇到阻擋物時，對阻擋物產生巨大的沖擊。

避免建議：蒸汽管道隔離閥下游應設置疏水口，避免局部積水；定期檢查疏水系統可靠性(尤其關注設有止回閥的位置)。

類型6：泵閥快速動作(泵閥快動撞擊)

若閥的關閉時間比壓力波在管道中往返一次的時間短，就稱為快速動作閥門。

有壓管道中流體高速運動時，當閥門快速關閉(或泵突然停電)導致流體撞擊阻擋件，將全部動能轉化為壓力波能而產生巨大的壓力脈沖，且在低壓側可能發生空泡和空泡潰滅。

避免建議：盡量避免采用快關閥；盡量不要采用母管制(尤其是兩個泵并聯，每個泵出口設置止回閥)；優先選用有防倒轉和慣性飛輪的泵。

類型7：空管充水水錘(彌合水錘)

泵停止后由于管線閥門已關閉，當管道高度差超過9 m，在泵出口管道可能形成真空。當泵重新啟動時，流體迅速填充空管形成水錘。

避免建議：盡量避免一段封閉的管道高差超過9 m。

根據水錘的現場損壞情況，按管道和結構中損傷特征，又可將水錘分為壓力波致水錘和有限長度水塞致水錘兩類。

壓力波致水錘是由于壓縮波(流體減速，動能向壓力能轉化)或膨脹波(流體增速，壓力能向動能轉化)兩者共同作用產生的現象。由于首個壓縮波使得管道運動方向與波傳播的方向相反，經常導致最主要的管道運動，膨脹波使得管道運動方向與波傳播的方向相同，作用不明顯。因此，壓力波引起的管道運動總是指向水錘的源且產生的破壞力非常大，管道刮痕明顯。壓力波對管道部件造成的損傷更多的與系統中的壓力邊界損傷相關。給水管線的水錘則大多由壓力波引起。由類型6誘發的水錘引起的損傷特征相似且都與壓力波特征相關。

有限長度水塞致水錘是當蒸汽進入管道后被水塞阻擋，推動水塞高速運動，直到被阻擋而產生沖擊力，對阻擋物造成嚴重損傷的現象。水塞引起的管道運動總是背離水錘的源且產生的破壞力通常遠小于壓力波，管道刮痕沒有壓力波的明顯。水塞對管道部件造成的損傷更局限于水塞經過區域的局部變形。蒸汽管線中的水錘大多數是由水塞引起。類型1～5、7引起的管路及相關設備的變形具有獨特性質與水塞波特征相關。

針對壓力波和水塞水錘引起的不同部件的損傷特征比較如表1所示。

表1 壓力波和水塞引起的部件損傷特征比較Table 1 Comparison of component damage characteristics caused by pressurewaves and water plugs

2 核電廠水錘的分布

據統計美國自1961年至1985年核電廠發生的水錘事故[1]，一、三回路均占9%，多數發生在二回路，占總水錘事故的78%，其中主蒸汽回路均占二回路水錘事故的40%，主給水回路約占二回路水錘事故的60%。

2.1 一回路水錘分析

核電廠一回路是密閉系統，管段極短，泵、閥啟、閉和切換，破口等會引發水錘，導致管道振動，造成管道爆裂或設備破壞等嚴重事故。

一回路水錘常發生在反應堆冷卻劑及輔助系統、安注系統、余熱排出系統、核島重要廠用水系統。常見位置有以下幾種。

1)反應堆主冷卻劑主回路主泵及隔離閥，易產生停泵及關閥水錘；

2)向反應堆主冷卻劑系統相關設備提供冷卻水的系統，易發生停泵或關閥水錘；

3)反應堆主冷卻劑系統中設備或管線中出現排氣不足，存在氣穴，易導致產生空泡潰滅水錘；

4)反應堆主冷卻劑系統孔板下游失壓，易導致高溫流進入低管線汽化引起的水錘；

5)穩壓器安全/卸壓閥的排放，易出現熱水進入低壓管線水錘；

6)如果安注系統與冷卻劑系統的隔離閥和逆止閥關閉不嚴，高溫壓的冷卻劑倒流進入安注系統，可能出現熱水進入低壓管線水錘；

7)從低壓安注管線到一回路的管道內出現排氣不足，存在氣穴，安注系統動作時，壓力升高，易產生空泡潰滅水錘；

8)在一回路高溫高壓水進入余熱排出系統隔離閥意外開啟時，易出現熱水進入低壓管線水錘；

9)核島重要廠用水系統緊急停泵[2]時會造成水柱分離，易出現真空彌合水錘。

2.2 二回路水錘分析

二回路系統非常復雜，按功能和流程分為主給水回路和主蒸汽回路。水錘的形式多樣，有蒸汽系統中的汽錘、給水系統中的水錘，還有蒸汽系統或冷凝水回收系統中涉及氣液兩相流的水錘，通常后者最復雜、發生的頻率也最高，主要分為兩種，一種是蒸汽主管內產生被蒸汽攜帶的高速冷凝水遇阻力件時產生猛烈撞擊；另一種為蒸汽與冷凝水混合急速冷凝形成真空，隨后管道內的冷凝水會被吸到這個真空的空間，形成水錘，這是一種非常難以解決且普遍存在的水錘形式，在冷凝水回收系統、蒸汽配送管道和用蒸汽設備中均普遍存在。

二回路水錘常發生在凝結水泵、低壓給水加熱器系統、主給水除氧器系統、主給水泵、高壓給水加熱器系統、輔助給水系統、主蒸汽系統、輔助蒸汽系統、汽機蒸汽和疏水系統和汽水分離再熱器系統。常見位置有以下幾種。

1)凝結水泵緊急停泵[3]時會造成水柱分離，易出現真空彌合水錘；

2)低壓給水加熱器系統緊急疏水閥打開向凝汽器疏水時，在疏水閥處形成栓塞，易形成蒸汽推動水塞水錘，如低壓給水加熱器殼側排空，導致形成兩相流，造成殼側水錘；

3)低壓加熱器向除氧器供水，管道中如有空汽腔，易產生空泡潰滅水錘，如供水口位于除氧器上部，機組長期停機備用時，除氧器中蒸汽進入低壓加熱器管道，在起機時由于大量冷凝水供入，導致管道內蒸汽冷凝，產生空泡潰滅水錘；

4)高壓加熱器通過疏水管線進入除氧器管段的閥門處存在節流，易形成熱水進入低壓管線水錘，如疏水口位于除氧器上部且直接對空(除氧器內部形成兩相流)，易形成水錘；

5)主給水泵緊急停泵[4]時會造成水柱分離，易出現真空彌合水錘；

6)當汽輪機停運、二回路向蒸汽發生器供水、除氧器保持熱態時，由于重新啟機除氧器水側給水溫度高于抽汽溫度，導致抽汽無法冷凝，這部分高壓抽汽將直接進入疏水管道，疏水管道內有局部段塞的殘留水，此時疏水閥打開將產生蒸汽推動水塞水錘；

7)高壓加熱器排水管道中的U形彎，在停機時容易貯冷水，在啟機時蒸汽與冷水接觸，易形成蒸汽推動水塞水錘；

8)并網時高加液位讀數波動，可能會導致應急疏水閥開啟，應急疏水閥上游會由蒸汽冷凝形成飽和水，閥門打開，易出現熱水進入低壓管線水錘；

9)輔助給水系統管道中由于排氣不足而存在氣穴，易產生空泡潰滅水錘；

10)輔助給水通過閥門泄漏至凝結水管道，輔助給水在閥門處節流，流速增大，壓力降低，給水中出現蒸汽泡，在進入凝結水管道后由于冷凝，易產生空泡潰滅水錘；

11)在事故工況下主蒸汽隔離閥極快速關閉，主汽管線可能產生沖擊波(蒸汽錘)；

12)主蒸汽管線中存在積水，沒有及時疏水，當遇到彎頭或極快速關閉的主蒸汽隔離閥等阻力件時，產生猛烈的撞擊，產生閥門快關水錘；

13)輔助蒸汽分配系統存在部分“U”形管段，由于疏水器堵塞存在冷凝水，再次供汽時，易發生蒸汽推動水塞水錘；

14)汽輪機蒸汽和疏水系統疏水至凝汽器管線，管線末端可能存在閃蒸，可能形成熱水進入低壓管路水錘；

15)汽輪機系統如啟機前管道局部存在積水，汽門突然開啟后，高、低壓進汽管線可能形成蒸汽推動水錘；

16)汽輪機打閘跳機后，汽門快速關閉，高、低壓進汽管線可能產生沖擊波(蒸汽錘)；

17)汽輪機打閘跳機后，抽汽管線逆止閥關閉，下游可能出現閃蒸象，對逆止閥形成沖擊波；

18)若疏水閥故障，高壓排汽至汽水分離再熱器管線內可能存在冷凝水聚集。機組啟動瞬間，蒸汽推動聚集的冷凝水，可能形成蒸汽推動水塞水錘；

19)在瞬態工況，若疏水箱內處于排空狀態，且汽水分離再熱器疏水管線至疏水箱的疏水管水平段坡度存在異常，管段局部形成疏水聚集，管道的冷凝水在蒸汽帶動下形成蒸汽推動水塞水錘；

20)汽水分離再熱器系統應急疏水通往凝汽器，管線末端出現閃蒸，可能形成熱水進入低壓管路水錘。

2.3 三回路水錘分析

三回路管道中壓力不太高，但流量大。凡是引起流量變化的原因就是發生水錘的起因，停泵水泵[5]極易產生水錘增壓波和減壓波，并以較大的速度向上下游傳播，發生液柱分離和彌合水錘現象，造成危害很大的“斷流空腔再彌合水錘”(簡稱真空彌合水錘)，影響管道的安全運行，是三回路供水系統中最具有危害性的一種水錘撞擊波動。

三回路水錘常發生的情況為：由于事故斷電、泵故障或人員操作失誤導致的突然停泵。

3 水錘事故的分析策略及初步辨識步驟

3.1 水錘事故的分析策略

水錘分析可按照事故確認-現場核查-數據收集-過程/瞬態分析-結果復現-制定措施的策略順序開展，流程如圖1所示。

圖1 水錘事故分析流程Fig.1 Water hammer accident analysis process

3.2 水錘的初步辨識步驟

水錘分析過程中，最重要的是識別水錘的源，從而獲得特定部件的失效或事件的初始機理。最直接的方法是檢查現場損壞情況。按管道和結構中損傷特征，又可將水錘分為壓力波致水錘和水塞致水錘兩類，并通過如下步驟初步辨識水錘的發生機理，如圖2所示。

圖2 水錘源的初步辨識步驟Fig.2 Preliminary identification steps for water hammer sources

通過檢查刮痕和管道及支架變形可以確定管道運動的方向：壓力波引起的管道運動總是指向水錘的源且管道刮痕明顯；水塞引起的管道運動總是背離水錘的源且管道刮痕不明顯。

通過檢查部件變形情況可以確定是壓力波還是水塞水錘：壓力波對管道部件造成的損傷更多的與系統中的壓力邊界損傷相關；水塞對管道部件造成的損傷更局限于水塞經過區域的局部變形。針對壓力波和水塞水錘引起的不同部件的損傷特征詳細比較，如表1所示。

4 結論

核電廠管道系統中普遍存在水錘現象，嚴重水錘對管道系統本身及相關設備會造成不可逆轉的破壞，導致核電廠的長時間停機停堆。本文對核電廠管道系統中的水錘形式、機理和易出現的部位進行了分析，給出了核電廠水錘常見類型、避免建議、發生部位和事故分析策略，對核電廠水錘事故的預防和問題處理有借鑒意義。