凝汽器真空系統(tǒng)管道汽蝕問(wèn)題探討

袁勝濤 梁鵬飛

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 概述

汽輪機(jī)的正常運(yùn)行依賴于從凝汽器中排出的不凝結(jié)氣體提供的合適背壓，因此凝汽器真空系統(tǒng)作為汽輪機(jī)必不可少的輔助設(shè)施，其能否長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行直接影響到汽輪機(jī)的運(yùn)行安全和壽命。凝汽器真空系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖1 所示，真空泵將凝汽器中的不凝結(jié)汽體抽出并將其送入汽水分離器，分離出的汽體從分離箱的頂部排至大氣或核輔助廠房通氣系統(tǒng)。

圖1 凝汽器真空系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

目前，國(guó)內(nèi)某核電站在運(yùn)行期間經(jīng)常發(fā)生真空泵入口管道彎頭泄漏事故。對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行判定和總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，管道彎頭上有多處穿孔現(xiàn)象發(fā)生。為了避免管道彎頭泄漏事故的再次發(fā)生，核電站相關(guān)工作人員將原有的碳鋼彎頭更換為316 不銹鋼彎頭。然而，核電站正常運(yùn)行一段時(shí)間之后管道彎頭穿孔泄漏事故依舊發(fā)生，彎頭穿孔宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 彎頭汽蝕宏觀形貌

1 汽蝕機(jī)理

汽蝕是由于液流流道中的局部低壓(低于該處溫度下液體的飽和蒸汽壓)使液體在該處汽化而引起大量微汽泡爆發(fā)性生長(zhǎng),微汽泡急劇生長(zhǎng)成大氣泡后隨液流至壓力高處突然潰滅,對(duì)流道壁面產(chǎn)生高達(dá)幾百個(gè)大氣壓的沖擊,造成壁面材料剝蝕。，汽蝕的產(chǎn)生與液體的物性、溫度、流速、壓力、過(guò)流表面粗糙度等有相當(dāng)大的關(guān)系。汽蝕破壞機(jī)理可以歸納為以下3 方面：

（1）機(jī)械作用：大量的氣泡匯聚成群并隨著水流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們進(jìn)入壓力升高的區(qū)域，便瞬息潰裂，在氣泡瞬間破裂時(shí)，伴隨發(fā)生兩種性質(zhì)的水擊壓力，一種是由于流體力在瞬間充滿該空間，而產(chǎn)生的沖擊壓力，另一種是屬于球體自由破裂所產(chǎn)生的聚能壓力。水擊壓力引起材料破壞主要有兩種形式：一種屬于在屈服點(diǎn)內(nèi)的疲勞破壞。一種屬于超過(guò)屈服點(diǎn)后的變形破壞。在汽蝕侵蝕之下，材料破壞的過(guò)程本質(zhì)上是一種疲勞過(guò)程，其后果是表面發(fā)生剝蝕，在粗糙的表面，由于應(yīng)力集中而加速汽蝕的破壞。

（2）化學(xué)作用：氣泡在壓縮時(shí)放出一定的熱量，同時(shí)由于水擊壓力對(duì)金屬表面的反沖擊也會(huì)產(chǎn)生局部高溫，在氣泡凝聚時(shí)局部溫度可達(dá)數(shù)百度，因而加速了金屬表面的氧化作用。

（3）電化學(xué)作用：在汽泡潰滅時(shí)的高溫高壓作用下,金屬晶粒中形成熱電偶,冷熱端之間存在電位差,對(duì)金屬表面產(chǎn)生電解作用,造成電化學(xué)腐蝕，進(jìn)而加速了機(jī)械侵蝕。

2 問(wèn)題分析

根據(jù)各種水質(zhì)含氣汽蝕試驗(yàn)可知，當(dāng)水流無(wú)氣核存在時(shí)，理論上水流內(nèi)部不發(fā)生汽化，不會(huì)對(duì)過(guò)流壁面造成汽蝕破壞，只有當(dāng)水流中含有一定量的氣體時(shí)，才能引起水流汽化，造成過(guò)流壁面的汽蝕破壞。在一定范圍內(nèi)，水中的氣體含量越多，其使材料汽蝕破壞的能力越大；但當(dāng)水流中含氣量達(dá)到一定程度后，含氣將改變水流的物性，使過(guò)流壁面汽蝕破壞又趨于減弱。研究表明，當(dāng)水流中的氣泡經(jīng)過(guò)焊縫時(shí)，由于焊縫會(huì)引起流道空間結(jié)構(gòu)的變化，因此很容易在焊縫處形成一固定的汽穴，當(dāng)水流能量足夠大時(shí)，則可形成了流向與主流方向相反的回流。由于固定型汽穴的尺寸有限，故回流的水量很快充填固定型汽穴的空間，并使汽穴的壓強(qiáng)急劇上升，以致汽穴的內(nèi)表面不能持續(xù)其正常的平衡狀態(tài)，使其潰滅或帶入下游，潰滅時(shí)則對(duì)物體表面產(chǎn)生一種沖擊。

根據(jù)Rayleigh 理論計(jì)算可得氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的壓力可達(dá)P=2500kg/cm2，當(dāng)然實(shí)際水壓力要比理論壓力小些，但也足以造成一定的損壞。

氣泡在固定汽穴處的產(chǎn)生與潰滅的過(guò)程，就是對(duì)管壁焊縫處造成破壞。當(dāng)破壞超過(guò)材料的疲勞極限后，材料表面就會(huì)發(fā)生脫落。材料表面的粗糙又加速了其產(chǎn)生汽蝕的速度，造成惡性循環(huán)、周而復(fù)始，最終導(dǎo)致管壁穿孔的發(fā)生。氣泡潰滅時(shí)所產(chǎn)生的熱量及放電現(xiàn)象，也加速了破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

汽蝕在彎頭部分的破壞主要是游動(dòng)氣泡在潰滅時(shí)所造成的破壞。流動(dòng)的水流中含有一定的氣泡，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)，其水流的方向發(fā)生了改變。水流方向的改變?cè)斐闪藲馀葜車鷫毫Φ淖兓?，因此打破了氣泡保持穩(wěn)定的條件，使其發(fā)生潰滅，當(dāng)氣泡發(fā)生潰滅是在管壁附近時(shí)，就將會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生一定的破壞，氣泡不斷的潰滅，管壁不斷的遭到破壞，最終造成管壁的內(nèi)表面發(fā)生脫落現(xiàn)象，由于氣泡的不固定，因而形成了管壁損壞的不均勻性，其最終現(xiàn)象為彎頭處管壁大面積被破壞，形成麻坑狀，造成管壁的粗糙，管壁的粗糙，又加速了汽蝕的發(fā)生速度，最終管壁穿孔損壞。

在焊接熱循環(huán)作用下，焊接熱影響區(qū)處母材的組織和性能會(huì)發(fā)生明顯的變化，焊接熱影響區(qū)的性能在很大程度上決定了整個(gè)焊縫的力學(xué)性能。硬度作為反映材料成分、組織和性能的一個(gè)綜合指標(biāo)，也直接決定了焊縫熱影響區(qū)抵抗汽蝕的能力。由于焊縫處的空間結(jié)構(gòu)變化，汽蝕現(xiàn)象容易在此處發(fā)生，而焊縫硬度的升高會(huì)導(dǎo)致材料綜合性能的惡化，因此二者的相互疊加作用使得焊縫處汽蝕破壞尤為明顯。

3 減少汽蝕破壞的措施

1）在受汽蝕的彎頭上游安裝噴淋裝置

汽蝕的產(chǎn)生，主要是因?yàn)橐毫髦袏A雜著氣泡，在輸送過(guò)程中氣泡潰滅而造成的破壞。

如何使水中的氣泡減少是解決汽蝕的首要問(wèn)題，根據(jù)流體力學(xué)等有關(guān)資料可以證明，水中的氣泡比水的質(zhì)量要輕，因而可以在輸送管道上安裝排氣裝置，空氣排氣裝置應(yīng)設(shè)置在垂直管道的彎頭部。排氣裝置主要由自動(dòng)排氣閥、集氣箱組成，當(dāng)水流經(jīng)彎頭時(shí)，由于汽泡比水輕，且在此做暫短的回流，將有部分氣泡集中在集氣罐上部，當(dāng)氣體壓力達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行排氣，從而達(dá)到減少水中氣泡容量的目的，汽泡的減少使得汽蝕發(fā)生的機(jī)率減少，從而減輕汽蝕的發(fā)生。

然而，此方法并不適用于凝汽器真空系統(tǒng)管道，這是由于凝汽器正常運(yùn)行時(shí)的工作壓力保持在5.1kPa，此壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大氣壓（0.1MPa），凝汽器真空管道中的汽體在無(wú)外力作用下無(wú)法自動(dòng)排向大氣，進(jìn)而也無(wú)法起到減少汽體對(duì)管道的汽蝕影響。

檢驗(yàn)結(jié)果表明，汽蝕現(xiàn)象發(fā)生在真空泵的入口管道彎頭處，而真空泵本體卻沒(méi)有發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。這是因?yàn)闉闇p輕真空泵的汽蝕在設(shè)計(jì)中特意添加了噴淋回路，此管路是將密封水從汽水分離器底部經(jīng)熱交換器由吸入噴淋嘴進(jìn)入真空泵。噴淋使從凝汽器吸入的空氣/水汽混合物產(chǎn)生預(yù)凝結(jié)效應(yīng)，從而減少了不凝結(jié)汽體的含量，進(jìn)而提高了水泵性能。

由上述分析可以得出，在介質(zhì)流經(jīng)的路徑中設(shè)置噴淋裝置可以有效的減少汽蝕對(duì)管道的影響。

2）改變彎頭部過(guò)流面的曲線，減緩介質(zhì)流動(dòng)壓力的變化，也可減少汽蝕對(duì)彎頭的破壞。目前已有單位采用球型彎頭來(lái)緩解汽蝕破壞的發(fā)生。實(shí)踐表明此方法在使用過(guò)程中是切實(shí)可行的。

3）減輕吸入管阻力損失，汽蝕主要來(lái)源于吸入管管壁與介質(zhì)之間的摩擦。所以，必須盡量減少摩擦損失，即：增大管徑，盡可能減少管線長(zhǎng)度、彎頭個(gè)數(shù)，保證管內(nèi)壁光滑潔凈，少安裝閥門(mén)和節(jié)流孔板。

4）優(yōu)化焊接工藝，控制焊縫成形成性，保證焊接接頭內(nèi)壁光滑，也可大大減少汽蝕破壞程度。采用先進(jìn)的焊接方法，如激光焊接、全方位充氣保護(hù)焊接，可有效改善焊縫質(zhì)量，大大降低焊接熱循環(huán)過(guò)程對(duì)焊縫熱影響區(qū)的影響，從而提高焊縫性能，大大提高焊縫抗汽蝕破壞的能力。因此，采用高硬質(zhì)合金以及合理的焊接工藝是提高管道抵抗汽蝕破壞的有效措施。

4 結(jié)論

汽蝕是造成電站冷凝器真空管道破壞最主要的原因之一，但通過(guò)合理的管路設(shè)計(jì)和優(yōu)化管道焊縫力學(xué)性能可以有效的控制汽蝕所帶來(lái)的破壞，從而保證電站的運(yùn)行安全。

［1］陳卓如.工程流體力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1987.

［2］董金華,朱玉峰.離心泵的汽蝕防護(hù)技術(shù)及其進(jìn)展[J].輕工機(jī)械,2004.