樊凱軍，呂 濤，徐 皎，張 強，魏國軍，張?zhí)亠w

(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(wù)基本上是通過有壓管道實現(xiàn)的，由水錘引起的瞬態(tài)是有壓管道運行中最主要的風(fēng)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(xiàn)實意義。

水錘是有壓管中非恒定流的一種，本質(zhì)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(guān)的水錘。古典水錘是指當(dāng)有壓管中的流體速度因某種原因而急劇變化時，引起管內(nèi)流體內(nèi)部壓力急劇交替變化，并對管道中元件產(chǎn)生巨大沖擊的現(xiàn)象。汽錘與古典水錘的主要區(qū)別在于后者是液態(tài)水介質(zhì)而前者是水蒸汽介質(zhì)。而與氣液兩相流有關(guān)的水錘就復(fù)雜得多，主要出現(xiàn)在同時含有蒸汽和過冷水的系統(tǒng)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(nèi)外工程實踐[1]，電廠中可能導(dǎo)致嚴(yán)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(wěn)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(yīng)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(wěn)定。當(dāng)立管上閥門關(guān)閉或部分關(guān)閉時，蒸汽供應(yīng)量低于冷凝量，過冷水迅速進入管內(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)生與過冷水流動方向相反的高速蒸汽。在適當(dāng)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(nèi)充滿蒸汽；主蒸汽管道要有可靠的疏水措施且應(yīng)配置監(jiān)測手段。

類型3：加壓水進入豎直的蒸汽管道(蒸汽囊破裂)

當(dāng)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(guān)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?zhèn)鬟f出去，內(nèi)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(dāng)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(chǎn)生水錘。

避免建議：關(guān)注閥門的泄漏問題，避免向含有較高溫蒸汽的管道內(nèi)充水。

類型4：熱水進入低壓管線(低壓疏水)

當(dāng)熱水迅速地通過打開的閥門或節(jié)流裝置至低壓管道，導(dǎo)致熱水在閥門或節(jié)流裝置喉部阻塞，節(jié)流裝置上游發(fā)生撞擊水錘；節(jié)流裝置下游管道由于發(fā)生閃蒸體積增大，可能發(fā)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(chǎn)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(dāng)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(dāng)高速移動的水塞遇到阻擋物時，對阻擋物產(chǎn)生巨大的沖擊。

避免建議：蒸汽管道隔離閥下游應(yīng)設(shè)置疏水口，避免局部積水；定期檢查疏水系統(tǒng)可靠性(尤其關(guān)注設(shè)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(guān)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(dāng)閥門快速關(guān)閉(或泵突然停電)導(dǎo)致流體撞擊阻擋件，將全部動能轉(zhuǎn)化為壓力波能而產(chǎn)生巨大的壓力脈沖，且在低壓側(cè)可能發(fā)生空泡和空泡潰滅。

避免建議：盡量避免采用快關(guān)閥；盡量不要采用母管制(尤其是兩個泵并聯(lián)，每個泵出口設(shè)置止回閥)；優(yōu)先選用有防倒轉(zhuǎn)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(guān)閉，當(dāng)管道高度差超過9 m，在泵出口管道可能形成真空。當(dāng)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(jù)水錘的現(xiàn)場損壞情況，按管道和結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化)或膨脹波(流體增速，壓力能向動能轉(zhuǎn)化)兩者共同作用產(chǎn)生的現(xiàn)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(jīng)常導(dǎo)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(chǎn)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(tǒng)中的壓力邊界損傷相關(guān)。給水管線的水錘則大多由壓力波引起。由類型6誘發(fā)的水錘引起的損傷特征相似且都與壓力波特征相關(guān)。

有限長度水塞致水錘是當(dāng)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(chǎn)生沖擊力，對阻擋物造成嚴(yán)重?fù)p傷的現(xiàn)象。水塞引起的管道運動總是背離水錘的源且產(chǎn)生的破壞力通常遠(yuǎn)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(jīng)過區(qū)域的局部變形。蒸汽管線中的水錘大多數(shù)是由水塞引起。類型1～5、7引起的管路及相關(guān)設(shè)備的變形具有獨特性質(zhì)與水塞波特征相關(guān)。

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(jù)統(tǒng)計美國自1961年至1985年核電廠發(fā)生的水錘事故[1]，一、三回路均占9%，多數(shù)發(fā)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(tǒng)，管段極短，泵、閥啟、閉和切換，破口等會引發(fā)水錘，導(dǎo)致管道振動，造成管道爆裂或設(shè)備破壞等嚴(yán)重事故。

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

1)反應(yīng)堆主冷卻劑主回路主泵及隔離閥，易產(chǎn)生停泵及關(guān)閥水錘；

2)向反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備提供冷卻水的系統(tǒng)，易發(fā)生停泵或關(guān)閥水錘；

3)反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)中設(shè)備或管線中出現(xiàn)排氣不足，存在氣穴，易導(dǎo)致產(chǎn)生空泡潰滅水錘；

4)反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)孔板下游失壓，易導(dǎo)致高溫流進入低管線汽化引起的水錘；

5)穩(wěn)壓器安全/卸壓閥的排放，易出現(xiàn)熱水進入低壓管線水錘；

6)如果安注系統(tǒng)與冷卻劑系統(tǒng)的隔離閥和逆止閥關(guān)閉不嚴(yán)，高溫壓的冷卻劑倒流進入安注系統(tǒng)，可能出現(xiàn)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(nèi)出現(xiàn)排氣不足，存在氣穴，安注系統(tǒng)動作時，壓力升高，易產(chǎn)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(tǒng)隔離閥意外開啟時，易出現(xiàn)熱水進入低壓管線水錘；

9)核島重要廠用水系統(tǒng)緊急停泵[2]時會造成水柱分離，易出現(xiàn)真空彌合水錘。

2.2 二回路水錘分析

二回路系統(tǒng)非常復(fù)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(tǒng)中的汽錘、給水系統(tǒng)中的水錘，還有蒸汽系統(tǒng)或冷凝水回收系統(tǒng)中涉及氣液兩相流的水錘，通常后者最復(fù)雜、發(fā)生的頻率也最高，主要分為兩種，一種是蒸汽主管內(nèi)產(chǎn)生被蒸汽攜帶的高速冷凝水遇阻力件時產(chǎn)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(nèi)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(tǒng)、蒸汽配送管道和用蒸汽設(shè)備中均普遍存在。

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

1)凝結(jié)水泵緊急停泵[3]時會造成水柱分離，易出現(xiàn)真空彌合水錘；

2)低壓給水加熱器系統(tǒng)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(cè)排空，導(dǎo)致形成兩相流，造成殼側(cè)水錘；

3)低壓加熱器向除氧器供水，管道中如有空汽腔，易產(chǎn)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(dǎo)致管道內(nèi)蒸汽冷凝，產(chǎn)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(jié)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(nèi)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(xiàn)真空彌合水錘；

6)當(dāng)汽輪機停運、二回路向蒸汽發(fā)生器供水、除氧器保持熱態(tài)時，由于重新啟機除氧器水側(cè)給水溫度高于抽汽溫度，導(dǎo)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(nèi)有局部段塞的殘留水，此時疏水閥打開將產(chǎn)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(wǎng)時高加液位讀數(shù)波動，可能會導(dǎo)致應(yīng)急疏水閥開啟，應(yīng)急疏水閥上游會由蒸汽冷凝形成飽和水，閥門打開，易出現(xiàn)熱水進入低壓管線水錘；

9)輔助給水系統(tǒng)管道中由于排氣不足而存在氣穴，易產(chǎn)生空泡潰滅水錘；

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

11)在事故工況下主蒸汽隔離閥極快速關(guān)閉，主汽管線可能產(chǎn)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(dāng)遇到彎頭或極快速關(guān)閉的主蒸汽隔離閥等阻力件時，產(chǎn)生猛烈的撞擊，產(chǎn)生閥門快關(guān)水錘；

13)輔助蒸汽分配系統(tǒng)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(fā)生蒸汽推動水塞水錘；

14)汽輪機蒸汽和疏水系統(tǒng)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(tǒng)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(guān)閉，高、低壓進汽管線可能產(chǎn)生沖擊波(蒸汽錘)；

17)汽輪機打閘跳機后，抽汽管線逆止閥關(guān)閉，下游可能出現(xiàn)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(nèi)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(tài)工況，若疏水箱內(nèi)處于排空狀態(tài)，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(tǒng)應(yīng)急疏水通往凝汽器，管線末端出現(xiàn)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(fā)生水錘的起因，停泵水泵[5]極易產(chǎn)生水錘增壓波和減壓波，并以較大的速度向上下游傳播，發(fā)生液柱分離和彌合水錘現(xiàn)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(tǒng)中最具有危害性的一種水錘撞擊波動。

三回路水錘常發(fā)生的情況為：由于事故斷電、泵故障或人員操作失誤導(dǎo)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(rèn)-現(xiàn)場核查-數(shù)據(jù)收集-過程/瞬態(tài)分析-結(jié)果復(fù)現(xiàn)-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(xiàn)場損壞情況。按管道和結(jié)構(gòu)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(fā)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(tǒng)中的壓力邊界損傷相關(guān)；水塞對管道部件造成的損傷更局限于水塞經(jīng)過區(qū)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(xì)比較，如表1所示。

4 結(jié)論

核電廠管道系統(tǒng)中普遍存在水錘現(xiàn)象，嚴(yán)重水錘對管道系統(tǒng)本身及相關(guān)設(shè)備會造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，導(dǎo)致核電廠的長時間停機停堆。本文對核電廠管道系統(tǒng)中的水錘形式、機理和易出現(xiàn)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(fā)生部位和事故分析策略，對核電廠水錘事故的預(yù)防和問題處理有借鑒意義。