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(1.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司常規(guī)島與公用設(shè)施所，廣東 深圳 518116；2.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司核島系統(tǒng)所，廣東 深圳 518116)

0 前言

核電與水電、火電一起構(gòu)成世界能源的三大支柱，在世界能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位[1]。國內(nèi)某1 000 MW核電機組型號為CPR1000壓水堆核能發(fā)電機組，采用半轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)汽輪發(fā)電機組技術(shù)。該機組設(shè)有凝結(jié)水最小流量再循環(huán)管線，該管線功能是將凝結(jié)水通過調(diào)節(jié)閥返回到凝汽器，調(diào)節(jié)閥一般在啟動或者低負(fù)荷情況下或者在汽機甩負(fù)荷時打開，以維持凝結(jié)水泵以及軸封冷卻器的最小流量，防止凝結(jié)水泵汽蝕，凝結(jié)水再循環(huán)管線振動過大不僅會降低管道和設(shè)備的使用壽命，危及管道和設(shè)備的使用安全性，進(jìn)而影響機組正常啟動和安全運行。

很多學(xué)者對火電機組管道振動進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：進(jìn)氣規(guī)律與閥門實際流量特性不匹配、支吊架設(shè)置不合理、閥門內(nèi)漏等是造成管線振動的主要原因[2-6]。對核電機組管系的振動研究較少，且由于核電機組相關(guān)參數(shù)與火電機組差別較大且其安全性要求更高，因此，有必要針對其進(jìn)行深入的研究，以保證核電機組的合理設(shè)計和經(jīng)濟(jì)運行。

1 管道振動的診斷與分析

1.1 振動現(xiàn)象介紹

該機組再循環(huán)管線材質(zhì)為20+Cr合金鋼，規(guī)格為φ508x16，熱試首次啟動水溫為28℃，正常啟動水溫為46℃，閥門開度為80%，在調(diào)試階段，凝結(jié)水再循環(huán)管線及氣動調(diào)節(jié)閥振動劇烈，閥門氣動執(zhí)行機構(gòu)頂部搖擺、手輪劇烈振動，閥門本體及閥門前后管道存在高頻振動。且閥門后有很大的噪聲，振動導(dǎo)致多個閥門部件損壞：(1)調(diào)節(jié)閥壓力表外殼被振掉；(2)盤根螺栓松動；(3)放大器、氣源管左右晃動；(4)閥位反饋端子從反饋板振掉，導(dǎo)致無法顯示閥位反饋。為了準(zhǔn)確分析并找出管線振動的根本原因，對閥門及附近管道在不同閥門開度工況下振動情況進(jìn)行測量，測點分布示意圖如圖1，各測點的振動數(shù)據(jù)見表1。

圖1 再循環(huán)管線測點分布圖

表1調(diào)節(jié)閥所在管線振動測量數(shù)據(jù)(改造前)

測點位置測點方向各閥門開度下的振動速度/mm·s-145%50%57%65%70%測點1與地面垂直10.8941.5740.8560.566測點1與地面平行8.614.7812.4659.3551.46測點2與地面垂直12.8614.3218.3816.3426.7測點2與地面平行10.2311.3810.9513.1114.5測點3與地面垂直20.4730.1247.2346.0938.87測點3與地面平行10.5311.7211.2413.6511.59測點4與地面垂直//5.4//測點4與地面平行//30.8//測點5與地面垂直//18.3//測點5與地面平行10.610.410.81211.24測點6與地面垂直11.214.217.819.718.72測點6與地面平行8.348.4710.210.510.95

注：表格中為斜杠的代表實測中未讀取到有效數(shù)據(jù)。

由表1可知，閥門開度的變化對管線振動影響較大，由此可以判斷，再循環(huán)管線的振動與管道內(nèi)流體流量有關(guān)。根據(jù)規(guī)范要求[7]，對于碳鋼管道振動速度合格標(biāo)準(zhǔn)為V<20 mm/s，優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)為V<12.4 mm/s?，F(xiàn)場實測峰值達(dá)66 mm/s，嚴(yán)重超出規(guī)范要求。

振動超標(biāo)主要集中在閥門本體及閥門至凝汽器之間的管道，初步判斷管線振動主要是由于管線流量及調(diào)節(jié)閥開度變化引起管道中介質(zhì)流速和壓差發(fā)生變化，從而造成流體的不穩(wěn)定流動，流體的高速流動呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，經(jīng)過閥門時形成湍流漩渦、發(fā)生氣蝕，對管道和閥門產(chǎn)生激振力，當(dāng)激振頻率等于或者接近管道固有頻率時會產(chǎn)生共振。

1.2 振動問題分析

管道及其支吊架、閥門和與之連接的凝汽器構(gòu)成了一個機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，分析管系振動需要從兩個振動系統(tǒng)分析：一是管道的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即從管道及其支吊架布置來分析其對振動的響應(yīng)；二是流體系統(tǒng)，即從流體研究的角度來確定流體變化規(guī)律。為了準(zhǔn)確分析引起管線振動的原因，主要從以下三個方面對該管線振動問題進(jìn)行分析：(1)調(diào)節(jié)閥布置情況；(2)管道及支吊架布置；(3)流體系統(tǒng)分析。

1.2.1 調(diào)節(jié)閥布置情況

根據(jù)規(guī)范要求[8]，對于存在兩相流動的管系調(diào)節(jié)閥的位置宜接近接受介質(zhì)的容器布置，如果條件允許調(diào)節(jié)閥應(yīng)直接與接受介質(zhì)的容器連接。該管線考慮凝汽器設(shè)備焊接的要求，調(diào)節(jié)閥與凝汽器之間管道直段長度僅為300mm，調(diào)節(jié)閥布置滿足規(guī)范要求。

1.2.2 管道及支吊架布置

該管系支吊架設(shè)計時只進(jìn)行了靜態(tài)計算，靜態(tài)計算結(jié)果顯示一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，未考慮兩相流管道實際運行中的動態(tài)特性，且該管系中除靠近閥門的支架為滑動支架外，其余全部為單拉桿剛性吊架(支架布置示意圖詳見圖2)，以上兩種支架只起承載作用，約束管道垂直方向運動，而無限制管道水平位移作用，大大降低了管道的剛度，所以再循環(huán)管線管道支架設(shè)計不合理、管道剛度小、是導(dǎo)致管道振動的原因之一[9]。

圖2 振動劇烈管段管道及支架示意圖

1.2.3 流體系統(tǒng)分析

凝汽器廠家在多孔管設(shè)計完成后，提給閥門設(shè)計方的多孔管入口壓力為0.2 MPa.a(即調(diào)節(jié)閥后壓力，由于閥門距離多孔管很近，管道壓損可忽略)，閥門廠家以此進(jìn)行閥門選型，選擇兩級降壓閥籠，其降壓能力僅能剛好滿足閥后0.2 MPa.a的要求，隨著設(shè)計的深入凝汽器廠家多孔管設(shè)計中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終多孔管的實際壓力小于0.2 MPa.a，閥門卻沒有做相應(yīng)修改，所以造成閥后壓力的下降低于介質(zhì)溫度的飽和蒸氣壓，介質(zhì)汽化，閃蒸分解出氣體，形成氣液兩相流。此壓力沖擊波作用在閥芯或者閥座金屬表面，氣泡破裂，引起振動和噪音，閥門開度隨流量變化而變化，在開度為45%時，流量及流速小，氣蝕、振動輕微。隨著通過閥門的流量增加，流體流速加大，產(chǎn)生氣蝕和振動能量增加，因此閥門開度越大振動越劇烈。

2 管道振動治理方案

對于管系振動一般的處理思路有以下三方面：避振、減振、消振。避振主要是在管線最初設(shè)計階段通過合理的設(shè)計，避開所有可能導(dǎo)致振動的因素，而減振和消振則是對于已安裝運行后的管系通過充分的分析，采取合理的治理措施使振動減小到合理范圍或徹底消除。由于該管線調(diào)閥及管線走向已確定，再重新進(jìn)行閥門選型或者更改管線走向，工期較長，嚴(yán)重影響機組運行經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合振動原因分析結(jié)論只能通過在適當(dāng)位置設(shè)置剛性約束和消除介質(zhì)氣蝕兩個途徑解決。

2.1 支吊架改造

通過合理設(shè)置支吊架，可以調(diào)整整個管系的剛度、固有頻率從而避開管道共振，根據(jù)振動原因分析及現(xiàn)場實際情況，采取在確保管道熱膨脹正常和系統(tǒng)應(yīng)力合格的前提下，閥門兩側(cè)加設(shè)限位支架，增加管道系統(tǒng)剛度，避開激擾力的頻率，以減小管道振動幅度，控制管道振動，調(diào)節(jié)閥兩側(cè)增加支架示意圖如圖3。

圖3 調(diào)節(jié)閥增加支架示意圖

2.2 流體系統(tǒng)改造

由于調(diào)節(jié)閥后壓力無法滿足要求的壓力條件，產(chǎn)生氣蝕造成振動和噪聲，需要對調(diào)節(jié)閥后壓力進(jìn)行憋壓，以保證調(diào)節(jié)閥后的壓力滿足0.2 MPa.a的條件，考慮電廠運行經(jīng)濟(jì)型，調(diào)節(jié)閥更換短期內(nèi)無法實現(xiàn)，增設(shè)節(jié)流孔板是現(xiàn)階段解決氣液兩相流最常用且簡單有效的措施[10]。

小修結(jié)束后，機組正常運行時，對治理后的振動情況進(jìn)行了測試，振動治理后測量結(jié)果見表2。結(jié)果顯示：再循環(huán)管系治理后，振動情況明顯改善，在測試的各閥門開度下，振動速度最大值僅為7.63 mm/s，全部達(dá)到規(guī)范要求的優(yōu)秀級別，完全滿足機組安全運行的要求。

3 結(jié)論

(1)在管系設(shè)計中不僅考慮管道的靜態(tài)特性進(jìn)行靜態(tài)分析，建議進(jìn)行必要的動態(tài)分析，合理設(shè)計支吊架，在合適位置設(shè)置限位裝置，以提高管道固有頻率，避免共振。對于可能出現(xiàn)兩相流的管道進(jìn)行必要的流體分析，實際運行中保證各項參數(shù)與設(shè)計值一致避免出現(xiàn)氣蝕。

表2調(diào)節(jié)閥所在管線振動測量數(shù)據(jù)(改造后)

測點位置測點方向各閥門開度下的振動速度/mm·s-145%50%57%65%70%測點1與地面垂直6.444.596.365.795測點1與地面平行6.825.115.434.894.5測點2與地面垂直5.856.04/6.767.58測點2與地面平行3.294.65.145.295.55測點3與地面垂直3.133.686.446.836.35測點3與地面平行5.375.756.915.596.37測點4與地面垂直343.944.653.63測點4與地面平行434.14.766.38測點5與地面垂直5.744.77.246.548.33測點5與地面平行5.14.246.15.225.53測點6與地面垂直4.655.875.576.36.59測點6與地面平行4.935.557.087.057.63

注：表格中為斜杠的代表實測中未讀取到有效數(shù)據(jù)。

(2)通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對某核電機組再循環(huán)管線進(jìn)行振動分析并制定合理的改造方案，治理投運

后的振動幅度明顯減小、噪聲消除，實測振動速度全部達(dá)到優(yōu)秀級別，保證了機組的安全運行，提高了機組的效率，節(jié)約了能源。同時，該方案簡單可行、成本較低、效果良好，具有較強的可推廣性。

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