核電汽輪機(jī)凝汽器冷卻管避免振動(dòng)碰磨的預(yù)防措施

張水桃，許曄，魯前奎

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

核電汽輪機(jī)凝汽器冷卻管避免振動(dòng)碰磨的預(yù)防措施

張水桃，許曄，魯前奎

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

電站汽輪機(jī)凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生振動(dòng)是不可避免的，文章根據(jù)冷卻管產(chǎn)生振動(dòng)碰磨的主要原因，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出核電機(jī)組避免凝汽器冷卻管振動(dòng)碰磨的措施，以降低凝汽器冷卻管因振動(dòng)損壞而造成機(jī)組停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

核電汽輪機(jī)，凝汽器冷卻管，振動(dòng)碰磨，預(yù)防措施

0 引言

凝汽器冷卻管的振動(dòng)破壞事故一直是電站凝汽器運(yùn)行中的一大問題，尤其是對(duì)濱海核電機(jī)組，電廠工作流程圖如圖1所示，一旦冷卻管發(fā)生泄漏，將導(dǎo)致凝結(jié)水含鹽量升高，造成二回路給水水質(zhì)惡化，輕則引起機(jī)組降負(fù)荷、凝汽器半側(cè)運(yùn)行，重則使一回路蒸汽發(fā)生器的換熱管酸性腐蝕、爆管和汽輪機(jī)葉片結(jié)垢，影響整個(gè)核電機(jī)組安全。汽流激振是凝汽器冷卻管發(fā)生振動(dòng)碰磨甚至破壞的主要原因之一，而核電機(jī)組，由于汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù) （如溫度、壓力）較低，濕度大，流量大，新蒸汽的質(zhì)量流量為同功率常規(guī)火電機(jī)組的170%～190%，體積流量為其250%～350%，低壓排汽體積流量為其165%～175%，另外，核電機(jī)組旁路容量比火電機(jī)組大。比如某種堆型的核電站，核島堆芯在瞬態(tài)工況下，機(jī)-堆功率不匹配時(shí)，需通過旁路排放多余蒸汽，而旁路容量可達(dá)到72%～85%汽輪機(jī)主蒸汽流量，并且旁路蒸汽以與主蒸汽參數(shù)相同的溫度、壓力通過旁路擴(kuò)散器排入凝汽器，從而避免NSSS系統(tǒng)超溫、超壓，因此，在有限的冷卻管排管空間里，核電凝汽器內(nèi)蒸汽流速相對(duì)較高，冷卻管受高速汽流的激振作用更大。由于核電站的特殊工作條件，對(duì)常規(guī)島的設(shè)備及系統(tǒng)在安全性、可靠性方面的要求更高。本文根據(jù)冷卻管產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出核電機(jī)組避免凝汽器冷卻管振動(dòng)碰磨的措施，防止凝汽器冷卻管振動(dòng)碰磨、損壞，以保證凝汽器能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高核電機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

圖1 核電廠工作流程圖

1 汽輪機(jī)凝汽器冷卻管產(chǎn)生振動(dòng)碰磨的主要原因

電站汽輪機(jī)凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生振動(dòng)是不可避免的。引起冷卻管振動(dòng)的外因主要有兩個(gè)方面：（1）擾動(dòng)頻率與冷卻管固有頻率接近或相等，使冷卻管發(fā)生共振，振幅和應(yīng)力急劇增加； （2）凝汽器接收的高速排汽流橫掠過冷卻管的激振作用，使冷卻管產(chǎn)生過大的振幅，相互碰撞、磨損。而從凝汽器自身結(jié)構(gòu)而言，引起凝汽器冷卻管振動(dòng)碰磨、損壞的因素主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）凝汽器喉部的布置。由于凝汽器喉部空間有限，喉部呈擴(kuò)散狀態(tài)布置，喉部布置有低壓加熱器、旁路擴(kuò)散器等輔助設(shè)備，使得喉部出流處于一種不均勻的流動(dòng)分布狀態(tài)。尤其是核電凝汽器，與常規(guī)火電機(jī)組相比，喉部?jī)?nèi)布置的輔助設(shè)備體積比較龐大，汽輪機(jī)主排汽量和旁路蒸汽排放量也很大，使得喉部出流不均勻的流動(dòng)狀態(tài)更為嚴(yán)重。正是這種不均勻的流動(dòng)分布，使得下游凝汽器殼體內(nèi)凝結(jié)區(qū)域的冷卻管受力也極不平衡，這勢(shì)必會(huì)增大冷卻管局部振動(dòng)碰磨、破壞的可能性。（2）凝汽器殼體管束的布置。凝汽器冷卻管管束是所有冷卻管以某一節(jié)距、按某種形狀排列而成；管束冷卻管中間以某一跨距均勻設(shè)置了一系列支撐板，以防止冷卻管產(chǎn)生過大的靜撓度，同時(shí)提高冷卻管的固有頻率，預(yù)防冷卻管振動(dòng)破壞。如果冷卻管管束排列不合理，會(huì)使凝汽器殼體內(nèi)汽相流場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致管束局部流速過高而引起冷卻管振幅過大，造成冷卻管振動(dòng)碰磨；如果冷卻管間橋距太小，將可能導(dǎo)致相鄰冷卻管間振動(dòng)碰磨；而冷卻管支撐跨距越大，冷卻管的撓度會(huì)越大，高速汽流橫掠過冷卻管產(chǎn)生的振幅也越大，冷卻管越容易發(fā)生振動(dòng)碰磨、損壞。因此，為了預(yù)防凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)碰磨、損壞，既要考慮冷卻管固有頻率的避振裕度，又要考慮高速汽流的激振作用，除了合理布置安裝于凝汽器喉部?jī)?nèi)的輔助設(shè)備，還應(yīng)合理設(shè)計(jì)冷卻管束。

2 凝汽器冷卻管振動(dòng)計(jì)算

機(jī)組運(yùn)行中，凝汽器冷卻管總是以某一頻率在汽流激振下發(fā)生振動(dòng)，振幅較小時(shí)，凝汽器運(yùn)行是安全的。為了避免冷卻管共振、高速汽流激振導(dǎo)致應(yīng)力過大而產(chǎn)生的振幅過大，以及冷卻管間相互碰撞的發(fā)生，在凝汽器設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理確定冷卻管的支撐跨距，這也是冷卻管振動(dòng)計(jì)算的主要目的。

2.1 冷卻管固有頻率計(jì)算

由于凝汽器冷卻管兩端通過脹+焊的連接方式固定在端管板上，在端管板之間由支撐板支撐，根據(jù)一般的機(jī)械振動(dòng)理論，可以將冷卻管簡(jiǎn)化為兩端固定、中間等跨距簡(jiǎn)支的多跨距的連續(xù)梁，如圖2所示。冷卻管隨著支撐跨距的不同，其固有頻率也隨之變化。因此，為了避免冷卻管的固有頻率等于或接近外界的激振頻率而發(fā)生共振，應(yīng)把固有頻率調(diào)整到遠(yuǎn)離激振頻率，并保持有一定的共振裕度。計(jì)算公式如下：

式中：

E―材料彈性模量，MPa；

do、di―冷卻管外徑和內(nèi)徑，m；

m―單位冷卻管長(zhǎng)質(zhì)量，kg/m；

l―中間支撐板跨距，m。

圖2 冷卻管支撐模型

2.2 最長(zhǎng)允許跨距計(jì)算

目前，雖然對(duì)高速汽流導(dǎo)致冷卻管損壞的應(yīng)用研究工作尚未取得完全一致的結(jié)論，但是通過大量的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)測(cè)分析，獲得了許多實(shí)用于工程設(shè)計(jì)的研究成果和經(jīng)驗(yàn)公式。例如HEI標(biāo)準(zhǔn)公式和 Sebald J.F.公式，以及Coit R.L.公式和Peake C.C.修正公式等。

其中，Sebald J.F.認(rèn)為，高速汽流激起的冷卻管振動(dòng)可能發(fā)生嚴(yán)重的損壞，這是一種由汽流拖曳作用所致的、在自身固有頻率下的振動(dòng)，振幅隨流速的提高而增大。Sebald J.F.提出，冷卻管最大撓度y保持在冷卻管排列孔橋b的1/4以內(nèi)，即可預(yù)防冷卻管的振動(dòng)，據(jù)此即可獲得一種冷卻管許用跨距L的計(jì)算公式 （詳見文獻(xiàn) [1]）。

Coit R.L.等提出了振動(dòng)度的概念，以表征冷卻管振動(dòng)的嚴(yán)重性，并認(rèn)為它與冷卻管單位長(zhǎng)度上承受的汽流負(fù)荷成正比，與冷卻管跨距的剛度及冷卻管材料的對(duì)數(shù)衰減率成反比，而冷卻管跨距的剛度與冷卻管跨距成反比，由此也可得出一種冷卻管許用最大跨距L的計(jì)算公式（詳見文獻(xiàn)[1]）。

而Peake C.C.等進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)度提出了限制，從而進(jìn)一步得出了另一種冷卻管許用最大跨距L的計(jì)算公式 （詳見文獻(xiàn) [1]）。

美國傳熱學(xué)會(huì)HEI標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定，可根據(jù)汽輪機(jī)排汽口達(dá)到音速的條件下 （除非用戶另行提出苛刻的參數(shù)條件）確定凝汽器冷卻管的最大跨距值。其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

式中：Ls表示計(jì)算跨距；L0表示基礎(chǔ)跨距；K1為冷卻管規(guī)格隨凝汽器壓力變化的修正系數(shù)；K2為冷卻管間距修正系數(shù)；K3為冷卻管材料修正系數(shù)；而冷卻管需滿足端跨距l(xiāng)1≤1.18ls，中間跨距l(xiāng)m≤1.05ls的要求。

上述幾種預(yù)防汽流激振的經(jīng)驗(yàn)公式各有其假設(shè)條件及適用范圍。不論是美國傳熱學(xué)會(huì)的HEI標(biāo)準(zhǔn)，還是其他經(jīng)驗(yàn)公式，一般都將流場(chǎng)看成是均勻的，然后再從整體上考慮流動(dòng)的不均勻性，所以幾種計(jì)算冷卻管汽流激振的經(jīng)驗(yàn)公式還是比較粗糙，不能包容凝汽器的全部實(shí)際運(yùn)行工況。研究表明，在不計(jì)及或無法計(jì)及汽流不均勻性的情況下，采用HEI標(biāo)準(zhǔn)公式比采用其他3種公式安全一些。由于HEI標(biāo)準(zhǔn)公式的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，一般情況下是安全可靠的，因此，常在工程設(shè)計(jì)中被推薦采用。

3 核電汽輪機(jī)組凝汽器避免冷卻管振動(dòng)碰磨的預(yù)防措施

雖然凝汽器在設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的振動(dòng)計(jì)算，但是，由于凝汽器喉部出口蒸汽速度分布很不均勻，難于預(yù)先精確了解，尤其是核電凝汽器與常規(guī)火電凝汽器相比，相同功率等級(jí)的機(jī)組，核電汽輪機(jī)排汽量更大，特別是對(duì)某些堆型而言，旁路蒸汽流量更大，進(jìn)入旁路擴(kuò)散器的蒸汽參數(shù)高，使得凝汽器內(nèi)蒸汽流動(dòng)更加錯(cuò)綜復(fù)雜，不但速度分布極不均勻，而且密度分布也不均勻，汽流的沖擊激振更難控制、破壞性更強(qiáng)。因此，在實(shí)際工程實(shí)踐中，應(yīng)在理論分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上適當(dāng)采取必要的預(yù)防措施，以避免凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)碰磨、損壞。

3.1 避免已產(chǎn)出機(jī)組凝汽器冷卻管振動(dòng)碰磨的措施及應(yīng)用實(shí)例

對(duì)于在役機(jī)組凝汽器，通過監(jiān)測(cè)、檢查，如果發(fā)現(xiàn)凝汽器冷卻管因汽流激振產(chǎn)生了碰磨、損壞現(xiàn)象，可在管束迎流區(qū)設(shè)置防沖不銹鋼假管，防止高速汽流沖蝕冷卻管；在冷卻管碰磨區(qū)域局部安裝防磨條，以局部減小該區(qū)域冷卻管跨距、減小冷卻管振幅，從而避免凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行中繼續(xù)發(fā)生振動(dòng)碰磨，甚至損壞。對(duì)于已經(jīng)安裝但尚未投運(yùn)機(jī)組的凝汽器，應(yīng)根據(jù)同類型機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，酌情采取預(yù)防性措施，防止機(jī)組投運(yùn)后發(fā)生冷卻管振動(dòng)碰磨，甚至損壞事故。

應(yīng)用實(shí)例一：核電廠A，其2臺(tái)機(jī)組的凝汽器在機(jī)組投運(yùn)初期做試驗(yàn) （含甩100%負(fù)荷、甩50%負(fù)荷、旁路投入等工況）期間先后共有5根冷卻管發(fā)生了斷裂、泄漏事故，并且在停機(jī)后抽管檢查均發(fā)現(xiàn)管束的某些迎流區(qū)有幾排冷卻管之間存在碰磨現(xiàn)象。事故發(fā)生后，經(jīng)過分析研究，采取了以下處理措施：

（1）將凝汽器管束頂排受損冷卻管更換為不銹鋼假管；

（2）在冷卻管發(fā)生碰磨的區(qū)域局部加裝防磨條（防磨條是具有一定剛性及彈性、被抽成真空的軟管。防磨條裝入冷卻管間后，切下防磨條端部，破壞其真空，使防磨條在冷卻管間均勻膨脹從而達(dá)到減振目的。圖3為防磨條實(shí)物，圖4為碰磨區(qū)域冷卻管每跨中間防磨條安裝實(shí)例）；

圖3 防磨條

圖4 防磨條安裝實(shí)例

（3）在迎流區(qū)無法安裝防磨條的區(qū)域進(jìn)行局部預(yù)防性堵管。

采取上述措施后，核電廠A的兩臺(tái)機(jī)組已分別持續(xù)運(yùn)行超過了2年，經(jīng)監(jiān)測(cè)、檢查，先前冷卻管的碰磨范圍未進(jìn)一步擴(kuò)大，也未再發(fā)現(xiàn)新的冷卻管碰磨、斷裂情況；凝汽器換熱未受影響；機(jī)組能夠安全運(yùn)行。

應(yīng)用實(shí)例二：核電廠B的凝汽器是以核電廠A為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)的。為了防止核電廠B的凝汽器在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生類似于核電廠A的冷卻管斷裂、泄漏、碰磨事故，在機(jī)組啟動(dòng)前特別制定了如下預(yù)防性方案：

（1）在迎流區(qū)冷卻管可能發(fā)生碰磨的區(qū)域局部加裝防磨條；

（2）在迎流區(qū)無法安裝防磨條的區(qū)域進(jìn)行局部預(yù)防性堵管。

實(shí)施以上預(yù)防性措施后，目前電廠所有相關(guān)調(diào)試試驗(yàn)均已完成，包括甩負(fù)荷試驗(yàn)、跳機(jī)不跳堆試驗(yàn)、甩空載試驗(yàn)、甩負(fù)荷至廠用電試驗(yàn)、跳堆試驗(yàn)等，在整個(gè)聯(lián)調(diào)期間，均未發(fā)現(xiàn)有冷卻管泄漏的跡象，現(xiàn)在機(jī)組已經(jīng)正常商運(yùn)。

3.2 新設(shè)計(jì)機(jī)組凝汽器冷卻管振動(dòng)碰磨預(yù)防性措施

凝汽器的實(shí)際運(yùn)行工況往往與理論分析及設(shè)計(jì)計(jì)算存在一定偏差，因此，對(duì)于新設(shè)計(jì)機(jī)組的凝汽器，除了依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行必要的理論計(jì)算，還應(yīng)根據(jù)冷卻管產(chǎn)生振動(dòng)碰磨的主要原因，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)階段從以下幾個(gè)方面采取措施，優(yōu)化凝汽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而預(yù)防冷卻管在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)碰磨：

（1）合理布置凝汽器喉部?jī)?nèi)的輔助設(shè)備，包括旁路蒸汽擴(kuò)散裝置，以保證喉部出口汽流在流入管束前達(dá)到一定的均勻程度；

（2）合理設(shè)計(jì)冷卻管管束，降低冷卻管附近蒸汽流速，并盡可能使管束內(nèi)蒸汽流場(chǎng)均勻，避免局部流速過高而引起的冷卻管振幅過大；

（3）在滿足凝汽器相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的同時(shí)，在合理的范圍內(nèi)適當(dāng)加大冷卻管橋距，以避免相鄰冷卻管間產(chǎn)生振動(dòng)碰磨；

（4）在管束中較危險(xiǎn)的迎流區(qū)采取防沖刷措施，以減小汽流激振及沖蝕的影響；

（5）控制冷卻管支撐跨距，在滿足HEI標(biāo)準(zhǔn)推薦的冷卻管最長(zhǎng)跨距的前提下，盡可能選擇較小的支撐跨距，既避免冷卻管產(chǎn)生共振，又能有效控制冷卻管振幅，從而避免冷卻管振動(dòng)碰磨。

采取上述措施合理設(shè)計(jì)凝汽器，即可在保證冷卻管固有頻率避開擾動(dòng)頻率的前提下，有效地減小冷卻管振幅，從而可以有效地避免冷卻管碰磨，降低凝汽器冷卻管振動(dòng)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生振動(dòng)是不可避免的，在實(shí)際工程實(shí)踐中，不但應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的冷卻管振動(dòng)計(jì)算，還應(yīng)根據(jù)冷卻管產(chǎn)生振動(dòng)碰磨的主要原因，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在理論分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上適當(dāng)采取必要的預(yù)防措施，以避免凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)碰磨、損壞。特別是核電機(jī)組，為了不因凝汽器冷卻管的振動(dòng)破壞而停機(jī)，達(dá)到長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，在凝汽器的設(shè)計(jì)中采取避免冷卻管振動(dòng)碰磨的預(yù)防性措施尤為重要。即：除了合理布置凝汽器喉部?jī)?nèi)的輔助設(shè)備，合理設(shè)計(jì)冷卻管束外，還應(yīng)在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下適當(dāng)加大冷卻管橋距，在管束中較為危險(xiǎn)的迎流區(qū)采取防沖刷措施，適當(dāng)減小冷卻管跨距，必要時(shí)，可在管束迎流區(qū)局部安裝防磨條，以局部減小該區(qū)域冷卻管跨距、減小冷卻管振幅，從而避免凝汽器冷卻管在機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)碰磨，甚至損壞，提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

[1]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993

Preventative Measure of Avoiding Condenser Tube's Vibration Friction Defect for Nuclear Turbine

Zhang Shuitao，Xu Ye，Lu Qiankui
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Condenser tube's vibration is inevitable during turbine operating.According to themain cause of tube's vibration and the practical engineering experience,the preventativemeasure of avoiding condenser tube's vibration friction defect for nuclear turbine is presented to reduce the risk of turbine shut down due to condenser tube's vibration damage and improve the safety and reliability of the unitoperating.

nuclear turbine,condenser tube,vibration friction,preventativemeasure

TK262

：A

：1674-9987（2014）03-0001-04

張水桃 （1966-），女，學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，1987年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，長(zhǎng)期從事汽輪機(jī)輔機(jī)設(shè)計(jì)工作。