CPR1000核電廠孔板汽蝕誘發(fā)管道振動(dòng)分析及工程改進(jìn)

衛(wèi)媛媛，李 輝，朱 峰，孔 斌，商昌忠

(中廣核工程有限公司，深圳518172)

CPR1000核電廠孔板汽蝕誘發(fā)管道振動(dòng)分析及工程改進(jìn)

衛(wèi)媛媛，李 輝，朱 峰，孔 斌，商昌忠

(中廣核工程有限公司，深圳518172)

針對(duì)核電廠發(fā)生的管道振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，計(jì)算表明限流孔板汽蝕是根本原因，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析提出了工程改進(jìn)方案。改進(jìn)后的工程測(cè)量結(jié)果表明改進(jìn)方案既解決了孔板汽蝕問(wèn)題，也方便現(xiàn)場(chǎng)快速有效地進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省工期。

孔板；汽蝕；振動(dòng)和噪聲；工程改進(jìn)

流體系統(tǒng)中汽蝕產(chǎn)生的危害很多文獻(xiàn)均有研究，汽蝕會(huì)限制系統(tǒng)功能，降低效率，帶來(lái)嚴(yán)重的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲、阻塞流，造成不可忽略的損害[1-3]。核電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，孔板的應(yīng)用非常普遍，當(dāng)流體流過(guò)孔板時(shí)，由于流通截面的突然縮小，會(huì)在其兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)很大的壓降，孔板后的流束縮口處高速流動(dòng)可引起局部壓力低于流體的飽和壓力發(fā)生汽蝕，待下游壓力恢復(fù)后氣泡破裂形成高速微小流體射流，局部出現(xiàn)高于周?chē)鷫毫?shù)千倍的沖擊壓，對(duì)附近的金屬管壁造成破壞[4]。

根據(jù)CPR1000各在役和在建核電廠經(jīng)驗(yàn)反饋，在安全系統(tǒng)或核輔助系統(tǒng)的試驗(yàn)和運(yùn)行過(guò)程中，多次發(fā)現(xiàn)因孔板汽蝕導(dǎo)致的管道振動(dòng)問(wèn)題，比如安全注入系統(tǒng)(RIS)、安全殼噴淋系統(tǒng)(EAS)和反應(yīng)堆和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)(PTR)等，核輔助系統(tǒng)個(gè)別小支管與主管連接的管座焊縫曾發(fā)生開(kāi)裂，出現(xiàn)了輸送介質(zhì)泄漏的現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全功能造成了影響。

本文主要對(duì)CPR1000核電廠孔板誘發(fā)管道振動(dòng)的共性問(wèn)題進(jìn)行分析，找出問(wèn)題原因并制定改進(jìn)方案，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證方案的有效性。

以RIS系統(tǒng)為例(見(jiàn)圖1)，系統(tǒng)在調(diào)試期間需進(jìn)行流量試驗(yàn)，RIS泵從水箱取水流經(jīng)限流孔板、閥門(mén)后回到水箱驗(yàn)證回路流量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)時(shí)，限流孔板下游儀表管水平方

向發(fā)生劇烈振動(dòng)，并伴有刺耳嘯叫聲，經(jīng)測(cè)量管道最大有效振動(dòng)速度高達(dá)57.1mm/s(多點(diǎn)多方位測(cè)量最大值)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了允許振動(dòng)有效速度31.3mm/s(見(jiàn)表1)，有發(fā)生管道破裂的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)振動(dòng)和噪聲判斷應(yīng)為節(jié)流件汽蝕所致，同時(shí)追蹤聲源排除泵的汽蝕，初步考慮為限流孔板汽蝕導(dǎo)致管線振動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 system diagram

管線上設(shè)備測(cè)量結(jié)果有效值/(mm/s)水平垂直軸向最大振動(dòng)有效速度/(mm/s)允許振動(dòng)有效速度[5,6]/(mm/s)儀表閥154.935.631.254.921.3儀表閥257.141.139.457.121.3

1 原因分析

根據(jù)上文分析，對(duì)限流孔板進(jìn)行計(jì)算判斷限流孔板是否發(fā)生汽蝕，計(jì)算方法[7]如下：

(1)

其中，σ——汽蝕參數(shù)；

pu——孔板上游壓力；

pv——飽和蒸汽壓力；

pd——孔板下游壓力；

σc——臨界汽蝕參數(shù)。

如果σ<σc，則表明有汽蝕發(fā)生。

將RIS系統(tǒng)限流孔板測(cè)量數(shù)據(jù)代入公式中，計(jì)算結(jié)果σ<σc(見(jiàn)表2)，表明產(chǎn)生了限流孔板汽蝕，可能是造成管道振動(dòng)的原因。

表2 限流孔板汽蝕計(jì)算參數(shù)表

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 改進(jìn)原則

在設(shè)計(jì)改進(jìn)方案時(shí)，必須維持原有的系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)完整性，管道和支撐必須滿(mǎn)足各類(lèi)設(shè)計(jì)工況的應(yīng)力要求，改進(jìn)后的系統(tǒng)參數(shù)仍能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)考慮有限的布置空間條件下消除振源和噪音。

2.2 改進(jìn)描述

發(fā)生汽蝕的限流孔板初始設(shè)計(jì)為單級(jí)孔板，表2中的數(shù)據(jù)表明造成其汽蝕的原因在于孔板承受壓降過(guò)大以致下游壓力低于飽和壓力。為保持管線的總壓降不變，可以考慮串聯(lián)多個(gè)單級(jí)孔板降低每個(gè)單板承受的壓降或者安裝一個(gè)多級(jí)孔板。串聯(lián)多個(gè)單級(jí)孔板的優(yōu)點(diǎn)是單級(jí)孔板的計(jì)算方法與加工制造十分成熟，方便拆卸，現(xiàn)場(chǎng)可以直接加工，節(jié)省工期，缺點(diǎn)是如汽蝕問(wèn)題較嚴(yán)重時(shí)，需要串聯(lián)多個(gè)單級(jí)孔板，對(duì)布置空間要求高；安裝一個(gè)多級(jí)孔板的優(yōu)點(diǎn)是能夠很好地改善流體的局部流動(dòng)防止發(fā)生汽蝕，并且節(jié)省布置空間，缺點(diǎn)是目前多級(jí)孔板的后期調(diào)試工作比較依賴(lài)供貨商，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法直接加工，需返廠修改，工期時(shí)間長(zhǎng)。

結(jié)合CPR1000核電廠布置緊湊和工期緊張的現(xiàn)狀，同時(shí)考慮單級(jí)孔板和多級(jí)孔板的優(yōu)缺點(diǎn)，采用一個(gè)多級(jí)孔板串聯(lián)一個(gè)單級(jí)孔板的改進(jìn)方案(見(jiàn)圖2)，多級(jí)孔板承受主要壓降消除汽蝕、節(jié)省布置空間，單級(jí)孔板作為調(diào)節(jié)手段，方便調(diào)試階段現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算、加工。

2.3 改進(jìn)計(jì)算

將原單級(jí)孔板的壓降(1.4MPa)按照2n∶2n-1∶…∶2∶1 的比例分配給多級(jí)孔板的

第1，2，…，n級(jí)，按照單級(jí)孔板的汽蝕判斷方法對(duì)每一級(jí)孔板進(jìn)行汽蝕判斷(見(jiàn)公式(1))，要求每一級(jí)孔板都不會(huì)發(fā)生汽蝕。選用5級(jí)多級(jí)孔板并計(jì)算每一級(jí)的汽蝕參數(shù)，計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表3)表明不會(huì)發(fā)生汽蝕，同時(shí)將改進(jìn)后的孔板以單板串聯(lián)模型帶入RIS系統(tǒng)Flowmaster軟件模型中進(jìn)行數(shù)值模擬(見(jiàn)圖3)，計(jì)算出的管道流量數(shù)據(jù)滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求(溫度40℃，水箱液位10.67m)。

圖2 方案簡(jiǎn)圖Fig.2 modification diagram

圖3 模型簡(jiǎn)圖Fig.3 simulation diagram

孔板級(jí)數(shù)pu(MPaabs)pd(MPaabs)σσc模擬流量/(m3/h)設(shè)計(jì)要求流量/(m3/h)11.821.261.752.2721.260.952.233.0630.950.712.533.0440.710.532.893.0350.530.423.663.93129.18115.80～132.64

3 工程驗(yàn)證

改進(jìn)方案已在CPR1000核電廠實(shí)施，改進(jìn)后進(jìn)行RIS系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)時(shí)對(duì)管道進(jìn)行了多點(diǎn)多方位測(cè)量(與改進(jìn)前測(cè)量位置、儀表一致)，測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)表4)表明本方案對(duì)消除原振動(dòng)有明顯效果，且現(xiàn)場(chǎng)噪聲大幅度下降，同時(shí)測(cè)量的流量結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(溫度29.6 ℃，水箱液位13.06m)，從根本上解決了汽蝕問(wèn)題。

表4 改進(jìn)后管道振動(dòng)及流量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

數(shù)值分析和計(jì)算結(jié)果表明，限流孔板汽蝕是導(dǎo)致RIS系統(tǒng)管線振動(dòng)和噪聲問(wèn)題的根本原因。本文采用一個(gè)多級(jí)孔板串聯(lián)一個(gè)單級(jí)孔板的改進(jìn)方案，既能從根本上解決孔板汽蝕問(wèn)題，同時(shí)也方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)，能夠更快、更靈活地進(jìn)行孔徑的適時(shí)調(diào)整以滿(mǎn)足系統(tǒng)流量要求。CPR1000核電廠的試驗(yàn)結(jié)果證明了方案的工程有效性。

[1] 張寶,胡能祥等.汽水管道中節(jié)流孔板的合理使用[J]. 電站系統(tǒng)工程.2005,21(6)：20-22.

[2] S. Dabiri, W.A.Sirignano and D.D.Joseph. Cavitation in an orifice flow [EB/OL]. 2007. http://dx.doi.org.

[3] C. Mishra and Y. Peles. Cavitation in flow through a micro-orifice inside a silicon microchannel [EB/OL].2005. http://www.docin.com/.

[4] 毛慶,向文元等. 孔板氣蝕誘發(fā)核級(jí)管道振動(dòng)和噪聲問(wèn)題研究[J].核動(dòng)力工程,2005,26(4)：356-359.

[5] An American National Standard.The American Society of Mechanical Engineers. ASME OM-S/G-2007 Part3. Requirements of Preoperational and Initial Start-up Vibration Testing of Nuclear Power Plant Piping Systems [S]. New York: The American Society of Mechanical Engineers,2007.

[6] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). DL/T 1103—2009. 核電站管道振動(dòng)與評(píng)估[S]. 北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家能源局,2009.

[7] Framatome. SG47.On Site Verification And Adjustment Of Orifice Plates [S]. France: Framatome,1988.

Analysis and Improvement on Vibration of Pipe due to Orifice Cavitation in CPR1000 Nuclear Power Plant

WEI Yuan-yuan，LI Hui，ZHU Feng，KONG Bin， SHABG Chang-zhong

(China Nuclear Power Engineering Company Ltd. Shenzhen of Guangdong Prov. 518172, China)

Vibration and noise phenomena in nuclear power plant due to orifice plate cavitation have been proved by calculation in this paper，and the engineering improvement is presented by numerical computation. The improvement not only solves the problem of orifice plate cavitation but also speeds effective adjustment up on site，which supported by measured results.

Orifice plate;Cavitaiton;Vibration and noise;Engineering improvement

2015-11-06

衛(wèi)媛媛(1984—)，女，安徽人，工程師，碩士，現(xiàn)從事核電廠安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面研究

TL353+.9

A

0258-0918(2016)06-0865-04