核电厂水锤事件分析及防治建议

尚芋百

摘要：在核能发电规模日益增大的同时，核能的安全性问题也日益引起人们的重视，保障核能发电系统在服役期间的安全、可靠运行非常重要。如果机械设备出现了故障，或对其进行了控制与调节，那么在蒸汽与液体的混合过程中，就会引起管道的振动，这种情况的严重性将会造成机械设备的破坏，严重性将会造成机组的停机，还会造成人身伤亡。因此，本文通过对常规岛中一组管道的详细剖析，从管道水锤产生的原因入手，探讨管道水锤产生的原因，从而达到预防或减轻管道水锤造成的伤害的目的，并在此基础上，对管道水锤产生的原因及影响因素进行了详细的探讨，希望能对以后的管道施工有所帮助。

关键词：核电厂水锤事件；分析；防治建议

前言

水锤是在封闭管道(含水泵)中，因液体流速的突然改变而产生的巨大的压力波动，也被称为"水击"。水锤冲击引起的瞬间压力可以达到正常工作压强的几十倍甚至上百倍，这种巨大的压力波动会引起管线的剧烈震动和噪音，从而对管线造成严重的损伤。水锤是工业领域中最常见的一种故障，它的破坏力有大有小，小的可能会将管道划破，大的可能会导致弯曲部位的凸起，还可能会导致管道断裂，造成设备的损坏。通常情况下，小水锤比大水锤更早出现。在这种情况下，需要格外重视，并及时地采取行动，预防大水锤的发生。在核电站中，水锤事件往往会造成部分部件和管道系统的破坏，虽然这种事件并不会造成严重的安全隐患，但是却会造成强制停机，从而对电厂的运行和可用性造成严重的影响。

一、水锤原理

水锤是因为流体流量的突然变化而产生的，它的发生一定有一个造成这种变化的来源，在工业上，这个来源就是弹性压力波，或者水弹。

（一）水锤发生的机理

1、压力波形成水锤

第一，压力波的形成。管路中存在着气泡，气泡在管路中迅速凝结，从而引起气泡的破裂，产生了压力气泡。当水压波产生后，水泡破裂，冰水迅速向原汽泡区涌去，在此过程中，水的涌出速率可达到304.8米/秒，从而引起管路的震动，甚至导致管路破裂。第二，压力波产生的方式。在工业领域，压力波的形成有以下两种方法。没有稳定的蒸气/水分界面，蒸气/水逆向流动。这种方式有两种情形:一是在空的给水管道中，被截留的蒸气被水环绕着，有一个不稳定的蒸气/水分界面，蒸气迅速冷凝而崩气爆灭，就会形成压力波。二是与蒸气发生器相邻的供水管道，当蒸气发生器停止运行后，其水位将降低，但管道内仍然有蒸气。当辅助的补充水沿着给水管路进入蒸汽发生器的时候，如果水的消耗很大，热蒸汽就会立刻冷凝成小水珠，从而形成压力的补充。管道中本来就有蒸气，当水进入管道中，随着流量的增加，一部分蒸气被拦截下来，拦截下来的蒸气与周围的水形成了一个不稳定的界面，这些被拦截下来的蒸气被拦截下来后，就会形成一个水压波。过冷水与过热(或饱和)水蒸气并存，冷热层水蒸气被排出，此现象一般是在供水加热器处于高水位状态时，排出的水蒸气与冷热水混合，随后而来的水因压力骤降而迅速蒸发，产生了水蒸气[1]。

2、水弹形成的水锤

按照水弹的产生机制，水弹一般有三种类型:一是由于滞留水而产生的水弹，二是由于蒸汽管道中有U型弯曲部分的原因，当蒸汽管道中的U型弯曲处的水弹被切断后，在U型弯处很可能会有一部分滞留水被切断，而当上游的阀门打开时，蒸汽会迅速运动，将水推向前方，其速度可达到120米/秒，最大可达到304.8米/秒。三是在低温长管中，蒸汽冷凝时，会产生"水弹"现象，该现象一般出现在低温长管中，同时管路上游的阀门是关闭的；当阀门开启时，往前的蒸汽迅速在冷却的管子里变成了水，然后又被蒸汽推着往前走，变成了一颗水球。水由水柱再结合形成水弹，一般会出现在泵出口管路中。在泵出口管路中，由于受到重力的影响，泵出口管路中的水柱被力量所影响，而与出口阀门阀瓣分离，从而形成了一个真空地带。但是，当水被重新启动时，阀门依然是封闭的，所以，水柱向前推动着水，打到阀瓣上(水柱再结合)，从而形成水弹。

（二）水锤类别

1、水平管道中的蒸汽和水逆流

这类水锤是一种压力波，在水平管中，当汽水相互逆流时，蒸汽和过冷水之间会有比较大的界面区域，当将少量的过冷水注入到高压蒸汽贮存器的大水平管中时，由于液体的迅速凝结，会形成与液态水流动方向相反的高速蒸汽流。在合适的情况下，这种逆向流动会转变为段塞式流动，从而产生一条水蒸气带。由于被困蒸汽快速凝结，使被困水气段塞处出现了较大的压力差。这一段流加快了向塌陷间隙的运动，造成了中度的水击。另一种情况是，当水桥与弯管相连时，就会产生一个单独的汽泡，汽泡内的汽泡会凝结，从而减小汽泡的压力，从而加快汽泡的速度。由于水压波动的存在，导致了水压波动在管道中的传播，从而对水压波动造成了较大的破坏[2]。

2、进入垂直蒸汽填充管的加压水

这类水锤是一种压力波，当加压水在垂直管道的底部或者从水平方向向上倾斜大于3度时，会造成蒸汽带瞬间崩溃。在这一类型的水锤中，液体的水锤速率主要依赖于流态的惯性以及泵等加速器所产生的压强，而非由于蒸气带凝结所致的压差。在这两种情形下，蒸汽的冷凝作用都是惯性作用的一种辅助作用，当水从底部灌入到蒸汽管道中时，蒸汽会带着坍塌，水会冲破已经关闭或即将关闭的阀门，从而造成蒸汽系统中的压力脉冲。在上部注水速率很低的情况下，由于水是沿着管道壁流下来的，所以不会产生水击；然而，如果发生了顶面充气速率大于气泡上升速率的现象，那么，在两相流冲击下，与水蒸汽混合，使气泡快速坍塌，从而形成了一个水锤，并在该体系中形成了一种新的压力波。

3、热水进入低压管路

这类水击是由加热器疏水排水系统向冷凝水排水时所引起的一种强烈的水击现象。注满了压力的饱和水的储存罐与注满了过冷水的排水管道相连，排水管道上有注满了关闭的阀门。当阀门打开时，过冷的水就会快速地从阀门中排出，进入到低压管道的管道中，然后，热水就会被阀门的喉咙堵住。在阀门喉部过冷冷水中，水流速度迅速下降至两相流速度，因而在阀门中经常出现水击现象。另外，在阀门下游也会发生其它的一些暂态现象，如：饱和的热水在经过阀门后，会在其下游发生闪蒸发，从而引起水塞的形成和推进；当水塞饱和水迅速撞击时，会引起另外一次水击。

二、建议改进措施

第一，为了防止在机组开始运行时，由于蒸汽湮灭而导致管路体积急剧缩小，从而导致冲击波的出现，需要对容易出现水锤的除氧器以及高压疏水管道进行强化监测，以保证主控监测的液面是稳定的；第二，在机组停止运行时，根据传统装置中蒸汽和水同时存在的部位，选取适当的停止状态；在管道上加装SN水平仪，以便于判断，或者在起动之前采用超声水平仪监测。第三，在常规操作期，对于经调节阀门的间歇性排出的高温、高压流体，为了防止因降压蒸发而造成的储气罐内部的气爆及储气罐壁面的震动，应及时更换供水管道的位置。另外，在U型管道中，由于热量的散失，会导致水在管道中聚集。结果表明，在U型断面下，在水平井中存在着气液两相混存。在运行之前，最好先将蒸汽的来源和排放口分开[3]。

三、结语

通过以上对水冲击现象进行的分析，希望能够向制造运营商和设计者提供一定的参考，注意水冲击的机理和破坏作用。为了更好地维护设备和技术人员的安全，一定要对水击现象发生的问题进行认真的分析，并对其进行反馈，采取必要的防范措施，以确保核电发电机组设备的可靠、平稳运行。

参考文献

[1]骆光富，高峰.核电厂水锤事件分析以及防治建议[A].山东省核学会；山东省核学会、山东省腐蚀与防护学会、青岛市崂山区人民政府.山东核科学与技术——山东省核学会2021年论文汇编Ⅲ[C].山东省核学会；山东省核学会、山东省腐蚀与防护学会、青岛市崂山区人民政府:山东省核学会，2021:6.

[2]林艺添，杨威，吴志锋，宋国华，陈斌.水锤效应致核电站硼表切换过程阀门故障的原因分析[J].科学技术创新，2018(33):185-186.

[3]张庆元.某核电厂厂用水系统水锤分析方法简析[J].给水排水，2017，53(S2):43-47.