□ 黃 哲

一、引言

汽水管道的振動對于發(fā)電廠來說是一種普遍現(xiàn)象，管道的長時間振動會導(dǎo)致管道材料以及焊口的疲勞損壞，并會將振動傳至支吊架上或者相連接的設(shè)備上，對管系的安全性穩(wěn)定運行造成影響。管道工作的可靠性對電廠運行的安全性影響很大，對核電站來說尤其重要。如某核電廠M310機組蒸汽發(fā)生器輔助給水系統(tǒng)汽動泵熱試第一階段發(fā)生了泵體進出口管道劇烈振動現(xiàn)場，并且運行聲響非常劇烈，嚴(yán)重影響了機組安全運行。管道系統(tǒng)是核電站機組的重要組成部分，核電站的安全運行非常重要。對核電站的管道振動來說必須進行深入分析解決，通過分析振動的起因并提出有效的解決辦法，從而有效改善核電站管系振動問題。

二、管道振動原因分析

管系的振動原因一般可分為兩類。一是管道系統(tǒng)自身的振動，在管系中與管道相連的轉(zhuǎn)動設(shè)備，例如壓縮機、泵等由于在運行中產(chǎn)生設(shè)備自身的振動傳至管系上;二是在管系運行時管道內(nèi)流體介質(zhì)通過彎頭、閥門等管件時發(fā)生流體湍流流動從而引發(fā)管道振動;三是外界環(huán)境對管系的影響引發(fā)振動，地震荷載、風(fēng)荷載等［2］。其中前兩種原因是影響管道振動的最主要原因。

(一)轉(zhuǎn)動設(shè)備本身引起的振動。在管系中如果有轉(zhuǎn)動設(shè)備直接與管道連接，當(dāng)轉(zhuǎn)動設(shè)備發(fā)生振動時，會將振動力直接傳到該管道上，導(dǎo)致管道產(chǎn)生振動。

(二)管道內(nèi)流體湍流引起的振動。當(dāng)管道內(nèi)流體介質(zhì)通過彎頭、閥門、變徑管等管件時，產(chǎn)生不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，從而引發(fā)管道振動。如果該振動與管道的固有頻率重合時會發(fā)生共振現(xiàn)象，將會給管系帶來巨大破壞。

(三)外界因素引發(fā)振動。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化如地震、海嘯、強風(fēng)等，為管系附加一個不穩(wěn)定外力，管道受外力的影響發(fā)生激烈振動，甚至破壞管系。

三、電廠管道振動消除措施

根據(jù)管道振動的基本方程［1］(MX+CX+KX=F式中，M、C與K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;F為激振力。)解決核電站管道振動方法可分為以下三種:

(一)改變管系總體質(zhì)量。當(dāng)流體介質(zhì)、壓力、溫度確定時管系的基本參數(shù)已固定。不提倡用該方法解決。

(二)改變管系剛度。方法有:一是更換厚壁管，或者在保證管系熱脹應(yīng)力的許可范圍內(nèi)的前提下盡可能縮短管線，減少彎頭，以提高管線自身的剛度。二是有針對性地增設(shè)限位支架、剛性支架等裝置，縮小支吊點的間距。要實現(xiàn)上述設(shè)想，需對管系支架進行重新設(shè)計布置。

(三)改變管系的阻尼。通過計算在管系位移較大處加裝阻尼裝置，以吸收管道的沖擊力，減少管道振動。

因而解決核電站管道振動最簡單有效的方式是改變管系的剛度和改變管系阻尼。改變管系剛度可以提高管系固有頻率，在管系中加裝阻尼可以有效減少管系的沖擊力從而降低管道振動。

四、核電站輔助給水系統(tǒng)汽動泵管道振動治理

(一)輔助給水系統(tǒng)的功能、安全功能介紹以及治理振動的必要性。輔助給水系統(tǒng)(ASG)作為正常給水系統(tǒng)的備用，在喪失主給水系統(tǒng)時，向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)提供給水。輔助給水系統(tǒng)屬于專設(shè)安全設(shè)施。在任何一項正常給水系統(tǒng)(電動主給水泵系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)、啟動給水系統(tǒng))發(fā)生事故時，輔助給水系統(tǒng)運行，導(dǎo)出堆芯余熱，直到反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)達到余熱排除系統(tǒng)可投入的狀態(tài)。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的熱量通過由輔助給水系統(tǒng)供水的蒸汽發(fā)生器傳給二回路系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽;二回路系統(tǒng)蒸汽通過汽輪機旁路系統(tǒng)排入凝汽器或排向大氣。由此可見輔助給水系統(tǒng)在核電廠發(fā)生事故時的重要性，發(fā)生管道振動現(xiàn)象對管道威脅很大，因此必須徹底進行治理。

(二)振動測量及計算過程。結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行振動測試，確定振動測試位置分別為圖1、圖2中所示測點位置。主要以測試管道振動加速度和振動位移。

為了達到測量效果，分別采取兩種流量負荷測量。一是小流量運行。給水泵出口通過旁路低負荷循環(huán)運行，給水流量大約為25t/h。二是額定流量運行。額定負荷運行，給水流量大約為100 t/h。管道振動如表1所示。

表1 治理前輔助給水泵管道振動測量實驗記錄表(mm/s速度峰值VP)

圖1 給水泵進口管道布置示意圖

圖2 給水泵出口管道布置示意圖

表2 治理后輔助給水泵管道振動測量實驗記錄表(mm/s速度峰值VP)

利用力學(xué)計算進行分析，計算正常運行狀態(tài)下管道的熱態(tài)應(yīng)力，校核靜態(tài)工作應(yīng)力;根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)、管道靜態(tài)應(yīng)力分析計算管道振動模態(tài)分析制定管道振動治理方案。管道模型圖1、圖2所示。

通過模態(tài)分析得出管道上設(shè)置的固定支架及限位支架少，導(dǎo)致管道整體的固有頻率偏低，在流體通過彎頭以及管道上附件時產(chǎn)生了較強的擾動，增加了管系的激振力，流速達到一定數(shù)值時產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

(三)治理方法。考慮到管道走向已經(jīng)固定，核電阻尼器采購時間較長、價格昂貴等原因，應(yīng)從管道微振動方程方面考慮解決措施，最好是從改變管道剛度來解決震動問題。治理方案是在兩臺泵入口彎頭處增加剛性支架，在測點4、6、8處增設(shè)限位支架。增加支架后對該管道重新進行計算分析，從計算結(jié)果可知在保證熱態(tài)應(yīng)力沒有顯著變化的前提下，使管系的固有頻率已經(jīng)有了明顯提高，從而提升管道剛度，證明該方案可行。

(四)管道減振效果驗證。為了驗證治理結(jié)果，給水泵采用與治理前相同的流量進行實驗。給水泵進出口管道僅存在很小的振動現(xiàn)象，在機組正常運行時，給水泵振動符合要求(測量結(jié)果見表2)。減振方案實施成功，治理效果明顯，達到了治理目的。

五、結(jié)語

核電站管道振動對電廠運行的安全性影響很大。通過對某M310堆型核電站蒸汽發(fā)生器輔助給水泵管道振動治理實例分析，得出消減和解決管道振動問題的一些方法，為我國目前在運行核電機組提供減少管道振動的參考。根據(jù)電廠汽水管道系統(tǒng)振動影響因素和治理方法可得出如下結(jié)論:

第一，在管道設(shè)計中管道的走向以及管材的選擇對管系的振動影響很大。流體介質(zhì)流經(jīng)管道部件時會產(chǎn)生湍流現(xiàn)象進而引發(fā)管道的振動，因此在泵進出口管道應(yīng)盡量避免和減少彎頭的使用，尤其是盡量減少大角度彎頭的使用。

第二，在解決現(xiàn)運行機組管道振動問題，改變發(fā)電廠汽水管道振動固有特性是最簡單有效的方法。核電站管道系統(tǒng)多采用阻尼器和增加限位支架，以增強管道的抗振能力。

第三，支吊架的合理使用對解決管系振動具有很大作用。由于給水泵本身具有振動，進出口管道容易產(chǎn)生較強的激振力，在設(shè)計中要綜合實際情況對泵進出口管道剛度的增強，從而盡量避免管道振動帶來是危害。

［1］邢景偉，趙星海，辛國華.電廠汽水管道振動分析及解決對策［J］.能源研究與信息，2012

［2］GB/T17116.1-1997.管道支吊架第一部分:技術(shù)規(guī)范［S］