凝汽器真空系統管道汽蝕問題探討

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

汽輪機的正常運行依賴于從凝汽器中排出的不凝結氣體提供的合適背壓，因此凝汽器真空系統作為汽輪機必不可少的輔助設施，其能否長期穩定可靠運行直接影響到汽輪機的運行安全和壽命。凝汽器真空系統運行流程圖如圖1 所示，真空泵將凝汽器中的不凝結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。

圖1 凝汽器真空系統流程簡圖

目前，國內某核電站在運行期間經常發生真空泵入口管道彎頭泄漏事故。對事故現場進行判定和總結分析發現，管道彎頭上有多處穿孔現象發生。為了避免管道彎頭泄漏事故的再次發生，核電站相關工作人員將原有的碳鋼彎頭更換為316 不銹鋼彎頭。然而，核電站正常運行一段時間之后管道彎頭穿孔泄漏事故依舊發生，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性生長,微汽泡急劇生長成大氣泡后隨液流至壓力高處突然潰滅,對流道壁面產生高達幾百個大氣壓的沖擊,造成壁面材料剝蝕。，汽蝕的產生與液體的物性、溫度、流速、壓力、過流表面粗糙度等有相當大的關系。汽蝕破壞機理可以歸納為以下3 方面：

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

（2）化學作用：氣泡在壓縮時放出一定的熱量，同時由于水擊壓力對金屬表面的反沖擊也會產生局部高溫，在氣泡凝聚時局部溫度可達數百度，因而加速了金屬表面的氧化作用。

（3）電化學作用：在汽泡潰滅時的高溫高壓作用下,金屬晶粒中形成熱電偶,冷熱端之間存在電位差,對金屬表面產生電解作用,造成電化學腐蝕，進而加速了機械侵蝕。

2 問題分析

根據各種水質含氣汽蝕試驗可知，當水流無氣核存在時，理論上水流內部不發生汽化，不會對過流壁面造成汽蝕破壞，只有當水流中含有一定量的氣體時，才能引起水流汽化，造成過流壁面的汽蝕破壞。在一定范圍內，水中的氣體含量越多，其使材料汽蝕破壞的能力越大；但當水流中含氣量達到一定程度后，含氣將改變水流的物性，使過流壁面汽蝕破壞又趨于減弱。研究表明，當水流中的氣泡經過焊縫時，由于焊縫會引起流道空間結構的變化，因此很容易在焊縫處形成一固定的汽穴，當水流能量足夠大時，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，并使汽穴的壓強急劇上升，以致汽穴的內表面不能持續其正常的平衡狀態，使其潰滅或帶入下游，潰滅時則對物體表面產生一種沖擊。

根據Rayleigh 理論計算可得氣泡潰滅時產生的壓力可達P=2500kg/cm2，當然實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生與潰滅的過程，就是對管壁焊縫處造成破壞。當破壞超過材料的疲勞極限后，材料表面就會發生脫落。材料表面的粗糙又加速了其產生汽蝕的速度，造成惡性循環、周而復始，最終導致管壁穿孔的發生。氣泡潰滅時所產生的熱量及放電現象，也加速了破壞現象的發生。

汽蝕在彎頭部分的破壞主要是游動氣泡在潰滅時所造成的破壞。流動的水流中含有一定的氣泡，當水流經過彎頭時，其水流的方向發生了改變。水流方向的改變造成了氣泡周圍壓力的變化，因此打破了氣泡保持穩定的條件，使其發生潰滅，當氣泡發生潰滅是在管壁附近時，就將會對管壁產生一定的破壞，氣泡不斷的潰滅，管壁不斷的遭到破壞，最終造成管壁的內表面發生脫落現象，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，又加速了汽蝕的發生速度，最終管壁穿孔損壞。

在焊接熱循環作用下，焊接熱影響區處母材的組織和性能會發生明顯的變化，焊接熱影響區的性能在很大程度上決定了整個焊縫的力學性能。硬度作為反映材料成分、組織和性能的一個綜合指標，也直接決定了焊縫熱影響區抵抗汽蝕的能力。由于焊縫處的空間結構變化，汽蝕現象容易在此處發生，而焊縫硬度的升高會導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

汽蝕的產生，主要是因為液流中夾雜著氣泡，在輸送過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題，根據流體力學等有關資料可以證明，水中的氣泡比水的質量要輕，因而可以在輸送管道上安裝排氣裝置，空氣排氣裝置應設置在垂直管道的彎頭部。排氣裝置主要由自動排氣閥、集氣箱組成，當水流經彎頭時，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，當氣體壓力達到預設閾值時，排氣閥自動打開進行排氣，從而達到減少水中氣泡容量的目的，汽泡的減少使得汽蝕發生的機率減少，從而減輕汽蝕的發生。

然而，此方法并不適用于凝汽器真空系統管道，這是由于凝汽器正常運行時的工作壓力保持在5.1kPa，此壓力遠遠低于大氣壓（0.1MPa），凝汽器真空管道中的汽體在無外力作用下無法自動排向大氣，進而也無法起到減少汽體對管道的汽蝕影響。

檢驗結果表明，汽蝕現象發生在真空泵的入口管道彎頭處，而真空泵本體卻沒有發生汽蝕現象。這是因為為減輕真空泵的汽蝕在設計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熱交換器由吸入噴淋嘴進入真空泵。噴淋使從凝汽器吸入的空氣/水汽混合物產生預凝結效應，從而減少了不凝結汽體的含量，進而提高了水泵性能。

由上述分析可以得出，在介質流經的路徑中設置噴淋裝置可以有效的減少汽蝕對管道的影響。

2）改變彎頭部過流面的曲線，減緩介質流動壓力的變化，也可減少汽蝕對彎頭的破壞。目前已有單位采用球型彎頭來緩解汽蝕破壞的發生。實踐表明此方法在使用過程中是切實可行的。

3）減輕吸入管阻力損失，汽蝕主要來源于吸入管管壁與介質之間的摩擦。所以，必須盡量減少摩擦損失，即：增大管徑，盡可能減少管線長度、彎頭個數，保證管內壁光滑潔凈，少安裝閥門和節流孔板。

4）優化焊接工藝，控制焊縫成形成性，保證焊接接頭內壁光滑，也可大大減少汽蝕破壞程度。采用先進的焊接方法，如激光焊接、全方位充氣保護焊接，可有效改善焊縫質量，大大降低焊接熱循環過程對焊縫熱影響區的影響，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，但通過合理的管路設計和優化管道焊縫力學性能可以有效的控制汽蝕所帶來的破壞，從而保證電站的運行安全。

［1］陳卓如.工程流體力學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,1987.

［2］董金華,朱玉峰.離心泵的汽蝕防護技術及其進展[J].輕工機械,2004.