核电厂管道振动原因分析及对策王俊哲

王俊哲李嘉辉

摘要：本文通过对核电厂管道振动的原因及分析对策的研究，从管道振动的测量方法入手，每种方法适用于不同的实际情况，进而从旋转设备诱发振动、流体脉动产生振动以及水锤冲击产生振动三个方面描述振动原因，并提出相应的解决对策。

关键词：核电厂、管道振动、流体脉动

一、前言

作为核电厂管道系统当中的主要问题，过大的振动问题会给管道带来损害，因此要仔细分析产生振动的原因，根据不同原因进行处理措施，及时有效地修复管道，以实际操作为主，吸取优秀经验来解决核电厂管道系统的振动。

二、管道振动的测量

管道振动测量方法主要有三种：目视检查、简化测量（位移法和速度法）和精确验证（模态反应法和测量应力法）。目前国内外核电站对管道振动进行评价的推荐方法和经验，大多数采用速度限值进行评价，即使用速度法计算许用速度峰值（速度限值）。依据ASMEOM-S/G-2000Part3的规范要求，管系上各点的最大振动速度峰值应小于许用速度峰值。许用速度峰值的表达式为（式中参数取值可参照标准DL/T1103-2009）（英制单位in/sec，psi）或（国际单位mm/s，MPa）式中补偿管道特征跨上集中质量影响的修正系数；ASME规范中定义的应力系数，对大多数管道系统；考虑管道内部介质和保温层质量的修正系数；不同于固定端的端条件和不同于直跨的结构形式的修正系数；考虑偏离共振的强迫振动的修正系数。管道振动的直接危害是因振动而出现疲劳开裂，从而导致系统不可用；间接危害是引起管道上的阀门或设备上的某些部件松脱和断裂，同样给系统运行带来危害，必须采取措施来减小管道的振动[1]。

三、振动原因

3.1旋转设备诱发的振动

旋转机械是核电厂的关键设备,传递给与之相连的管道上的激振力是管道振动的主要激励源之对于秦山600MW核电1号机组的16个系统228个点位的管道振动进行测量,其中6.6%点位的振动超限，在2号机组16个系统167个点位中,有4.2%的点位超限，主要在设冷水系统,而与它们相连的旋转设备中有10%的振动略大，为C级。大亚湾和岭澳核电站投运以来,冷凝泵多次发生振动高报警,启动后管系振动大。核电厂在实际运行阶段发现旋转设备产生振动的原因,大多数来源于地面基础刚度不足、轴承磨损、质量偏心、楼面刚度不足以及动平衡等。另外,核电厂中旋转机械设备所用的材料不均匀、制造过程存在的误差、旋转过程中受到磨损以及外界的腐蚀作用等，会使旋转机械转动部分在运转过程中重心偏离正常轴线。旋转设备的振动在核电厂广受关注,除了其自身振动超标,旋转设备的振动也往往会引起管道的振动,引起疲劳开裂,严重时造成灾难性事故。为了减少旋转设备导致的振动,需要从旋转设备设计、安装方面做好工作。在上述2号机组16个系统167个点位中,经过对相连旋转设备设计改进后,振动有明显下降,全部满足要求[2]。

3.2流体脉动产生的振动

管道内流体参数(压力、速度、密度等)随时间、位置呈周期性变化的现象称为“流体脉动”,内部的流体输送是通过泵对其进行间歇式加压实现。由于这种间歇式的加压方式,管道内部的流体压力在某一-稳定值上下脉动,当处于脉动状态的流体流经弯管、异径管、调节阀、节流孔板等管道部件时,产生随时间变化的激振力，引起管道及其附属设备发生振动向。实际工程中经常会遇到由于流体脉动作用而诱发结构振动损伤。在主蒸汽旁排阀一般情况下，振幅为0.325mm,当旁排阀处于某一开度时,振动会剧增至5.7mm,这也是高速蒸汽流引起管道共振。又如核级热交换器是核辅助系统的重要设备,其壳侧流体引起传热管的振动，会使传热管产生疲劳破坏。据相关调查发现,将近有40%多的核电厂发生蒸汽发生器和热交换器传热管的振动疲劳破坏事故,导致计划外停堆。另外,核电厂稳压器排放管振动属于典型的瞬态振动，其安全阀组件上游管中有水塞,当安全阀组件在很短时间内打开时,水塞受蒸汽推动下不断加速而引起排放管发生较大的瞬态振动。为了减少流体脉动产生振动需要从管路的选型、管路的布置、减少气柱谐振三个方面考虑。

2.3水锤冲击产生的振动

当管道中的阀门突然启闭或者水泵的突然开停,管道内的水流速度首先在阀门处发生突变,使管道内水压形成压缩波和膨胀波,并在管道内周期性的传递衰减，直至压力稳定,这种现象称为水锤。水锤从不同角度可分为四类:按关阀历时与水锤相的关系分为直接水锤和间接水锤;按水锤成因的外部条件可分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤;按水锤水力特性可分为刚性水锤理论和弹性水锤理论两种;按水锤波动的现象分为水柱连续现象和水柱分离的水锤现象两种。水锤现象严重影响了核电厂的安全生产。据有关资料介绍,三回路发生的水锤事故约占压水堆核电厂水锤事故的9%，意外停电或机械故障造成水泵突然停止运行是导致三回路水锤事故发生的主要原因。在华东、中南等4个地区有30多个较大泵站,都发生过水锤现象,记录到损失较大的事故多达200次以上。水綞防护措施现场通常有三种:补水(注气)稳压,防止产生水柱分离或升压过高的断流弥合水锤;泄水降压,避免压力陡升;使用多功能水泵控制阀[3]。

四、振动解决措施

3.1流体激振解决方法

管道输送流体需通过泵、压缩机、风机等设备加压作为动力，这种加压方式是间歇性或周期性的，因此，不可避免的要激发进出口管道内的流体呈脉动状态，使管内流体参数（如压力、流速、密度等）随位置及时间作周期性变化。振动的大小与流量密切相关；振动的形成与管道内某一部分的结构相关。需要针对具体的情况，分析产生流体激振的原因：如果与流量相关，可采取改变流量的办法加以处理，但改变流量需要考虑核电站实际的运行需要；如果与管道结构有关，则可以改变管道的结构或对管系进行重新合理布置。

3.2共振解决方法

管道共振是管道的固有频率与振源的频率非常接近乃至相同引起的，共振根据配管情况、支撑的类型和位置，会有一系列的固有频率，当激发频率与某阶固有频率相等或相近时，便发生管道的机械振动。气柱共振可看作一个类似弹簧的振动系统，具有一系列的固有频率，当风机或压缩机等设备的激发频率与某阶固有频率相等或相近时，系统即产生对应该阶频率的共振；共振的治理方法可以采用改变振源频率或改变管道固有频率。但改变振源的频率一般比较困难，所以通常依靠增加支架来改变管系的固有频率，从而消除共振[4]。

3.3受迫振动

管道受迫振动是由于振源振动相对强烈，通过传递方式引起管道某一部位振动相对较高，例如与管道相联或相邻的机械设备（泵、通风机、压缩机等）传递的振动。由于核电站管道上的支架有很多是导向支架，这种支架与管道有1-3mm的间隙，振动的传递基本不会在支架上受阻。对于这类振动，可改变支架结构形式，把导向支架变为固定支架，从而减小和限制振动的传递。

五、结束语

总之，要了解核电厂管道振动的原因，根据不同的原因，寻找不同的解决方案，对管道振动要精确测量，将理论运用至实际操作过程中解决管道振动，有利于核电长管道的正常运行。

参考文献

[1]核电厂商业运行前管道支吊架检查与调整[J].张杏忠,丁有元,徐伟祖,朱晓勇,周胜.核动力工程.2012(03)

[2]某核电厂辅助给水汽动泵进出口管道振动原因分析及处理方案[J].徐成军,赵一川.科技经济导刊.2017(09)

[3]街面电站消防水泵出水管路异常振动原因分析及处理[J].肖喜财.福建水力发电.2017(02)

[4]电加热系统在核电厂的应用及改进[J].林晨.黑龙江科技信息.2016(36)