CPR1000核電廠孔板汽蝕誘發管道振動分析及工程改進

衛媛媛，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管道振動分析及工程改進

衛媛媛，李 輝，朱 峰，孔 斌，商昌忠

(中廣核工程有限公司，深圳518172)

針對核電廠發生的管道振動和噪聲問題，計算表明限流孔板汽蝕是根本原因，通過數值計算分析提出了工程改進方案。改進后的工程測量結果表明改進方案既解決了孔板汽蝕問題，也方便現場快速有效地進行調整，節省工期。

孔板；汽蝕；振動和噪聲；工程改進

流體系統中汽蝕產生的危害很多文獻均有研究，汽蝕會限制系統功能，降低效率，帶來嚴重的振動，產生噪聲、阻塞流，造成不可忽略的損害[1-3]。核電廠系統設計中，孔板的應用非常普遍，當流體流過孔板時，由于流通截面的突然縮小，會在其兩側產生一個很大的壓降，孔板后的流束縮口處高速流動可引起局部壓力低于流體的飽和壓力發生汽蝕，待下游壓力恢復后氣泡破裂形成高速微小流體射流，局部出現高于周圍壓力數千倍的沖擊壓，對附近的金屬管壁造成破壞[4]。

根據CPR1000各在役和在建核電廠經驗反饋，在安全系統或核輔助系統的試驗和運行過程中，多次發現因孔板汽蝕導致的管道振動問題，比如安全注入系統(RIS)、安全殼噴淋系統(EAS)和反應堆和乏燃料水池冷卻和處理系統(PTR)等，核輔助系統個別小支管與主管連接的管座焊縫曾發生開裂，出現了輸送介質泄漏的現象，對系統的正常運行和安全功能造成了影響。

本文主要對CPR1000核電廠孔板誘發管道振動的共性問題進行分析，找出問題原因并制定改進方案，最后通過現場調試數據驗證方案的有效性。

以RIS系統為例(見圖1)，系統在調試期間需進行流量試驗，RIS泵從水箱取水流經限流孔板、閥門后回到水箱驗證回路流量滿足設計要求。試驗時，限流孔板下游儀表管水平方

向發生劇烈振動，并伴有刺耳嘯叫聲，經測量管道最大有效振動速度高達57.1mm/s(多點多方位測量最大值)，遠遠超過了允許振動有效速度31.3mm/s(見表1)，有發生管道破裂的風險。根據振動和噪聲判斷應為節流件汽蝕所致，同時追蹤聲源排除泵的汽蝕，初步考慮為限流孔板汽蝕導致管線振動。

圖1 系統簡圖Fig.1 system diagram

管線上設備測量結果有效值/(mm/s)水平垂直軸向最大振動有效速度/(mm/s)允許振動有效速度[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

根據上文分析，對限流孔板進行計算判斷限流孔板是否發生汽蝕，計算方法[7]如下：

(1)

其中，σ——汽蝕參數；

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。

如果σ<σc，則表明有汽蝕發生。

將RIS系統限流孔板測量數據代入公式中，計算結果σ<σc(見表2)，表明產生了限流孔板汽蝕，可能是造成管道振動的原因。

表2 限流孔板汽蝕計算參數表

2 設計改進

2.1 改進原則

在設計改進方案時，必須維持原有的系統功能和結構完整性，管道和支撐必須滿足各類設計工況的應力要求，改進后的系統參數仍能滿足設計要求，同時考慮有限的布置空間條件下消除振源和噪音。

2.2 改進描述

發生汽蝕的限流孔板初始設計為單級孔板，表2中的數據表明造成其汽蝕的原因在于孔板承受壓降過大以致下游壓力低于飽和壓力。為保持管線的總壓降不變，可以考慮串聯多個單級孔板降低每個單板承受的壓降或者安裝一個多級孔板。串聯多個單級孔板的優點是單級孔板的計算方法與加工制造十分成熟，方便拆卸，現場可以直接加工，節省工期，缺點是如汽蝕問題較嚴重時，需要串聯多個單級孔板，對布置空間要求高；安裝一個多級孔板的優點是能夠很好地改善流體的局部流動防止發生汽蝕，并且節省布置空間，缺點是目前多級孔板的后期調試工作比較依賴供貨商，現場無法直接加工，需返廠修改，工期時間長。

結合CPR1000核電廠布置緊湊和工期緊張的現狀，同時考慮單級孔板和多級孔板的優缺點，采用一個多級孔板串聯一個單級孔板的改進方案(見圖2)，多級孔板承受主要壓降消除汽蝕、節省布置空間，單級孔板作為調節手段，方便調試階段現場計算、加工。

2.3 改進計算

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

第1，2，…，n級，按照單級孔板的汽蝕判斷方法對每一級孔板進行汽蝕判斷(見公式(1))，要求每一級孔板都不會發生汽蝕。選用5級多級孔板并計算每一級的汽蝕參數，計算結果(見表3)表明不會發生汽蝕，同時將改進后的孔板以單板串聯模型帶入RIS系統Flowmaster軟件模型中進行數值模擬(見圖3)，計算出的管道流量數據滿足系統設計要求(溫度40℃，水箱液位10.67m)。

圖2 方案簡圖Fig.2 modification diagram

圖3 模型簡圖Fig.3 simulation diagram

孔板級數pu(MPaabs)pd(MPaabs)σσc模擬流量/(m3/h)設計要求流量/(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 工程驗證

改進方案已在CPR1000核電廠實施，改進后進行RIS系統調試試驗時對管道進行了多點多方位測量(與改進前測量位置、儀表一致)，測量結果(見表4)表明本方案對消除原振動有明顯效果，且現場噪聲大幅度下降，同時測量的流量結果滿足設計要求(溫度29.6 ℃，水箱液位13.06m)，從根本上解決了汽蝕問題。

表4 改進后管道振動及流量數據

4 結論

數值分析和計算結果表明，限流孔板汽蝕是導致RIS系統管線振動和噪聲問題的根本原因。本文采用一個多級孔板串聯一個單級孔板的改進方案，既能從根本上解決孔板汽蝕問題，同時也方便現場調試試驗，能夠更快、更靈活地進行孔徑的適時調整以滿足系統流量要求。CPR1000核電廠的試驗結果證明了方案的工程有效性。

[1] 張寶,胡能祥等.汽水管道中節流孔板的合理使用[J]. 電站系統工程.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. 孔板氣蝕誘發核級管道振動和噪聲問題研究[J].核動力工程,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] 中華人民共和國電力行業標準. DL/T 1103—2009. 核電站管道振動與評估[S]. 北京:中華人民共和國國家能源局,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

衛媛媛(1984—)，女，安徽人，工程師，碩士，現從事核電廠安全系統設計方面研究

TL353+.9

A

0258-0918(2016)06-0865-04