核電站凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大的原因分析與對策1)

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

在核電站和常規(guī)電廠中，調(diào)節(jié)閥被廣泛運(yùn)用于機(jī)組的各個(gè)系統(tǒng)回路，它是過程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變液體流量的裝置，以調(diào)節(jié)流體的壓力、溫度、流量、液位等工藝參數(shù)以滿足生產(chǎn)工藝需要，是核電站保障機(jī)組穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要組成部分。

然而，調(diào)節(jié)閥運(yùn)行的工況往往較為多變，經(jīng)常面臨著大壓差、小開度等極端工況，在這些惡劣的工況下，閥門內(nèi)部閃蒸、氣蝕等情況時(shí)有發(fā)生，伴隨著氣液兩相介質(zhì)沖刷，閥芯、閥座極易被吹損。同時(shí)，隨著介質(zhì)相變帶來的能量釋放和介質(zhì)動(dòng)靜能的轉(zhuǎn)變，閥門和所處管道常會(huì)發(fā)生劇烈的振動(dòng)，對閥門本體以及周邊管道或支架產(chǎn)生損傷。因此，如何根據(jù)現(xiàn)場工藝參數(shù)和問題的表現(xiàn)形式，通過分析找出癥結(jié)所在，以選擇正確、合理的方法消除現(xiàn)場缺陷，是解決此類調(diào)節(jié)閥問題的關(guān)鍵。

1 研究背景

方家山核電站機(jī)組凝結(jié)水抽取系統(tǒng)(簡稱CEX)是核電機(jī)組二回路的重要系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)收集和冷卻所有的蒸汽流和各種疏水，提供充分的凝結(jié)水儲(chǔ)存能力，并向除氧器提供所需的凝結(jié)水量。凝結(jié)水抽取系統(tǒng)上設(shè)有一個(gè)凝結(jié)水流量控制站，主要由一個(gè)主流量控制閥和一個(gè)旁路控制閥組成，均為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。凝結(jié)水流量控制站的工作是根據(jù)汽輪機(jī)功率、凝結(jié)水量和除氧器水位來控制的，機(jī)組在30%～100%額定功率之間運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水大流量調(diào)節(jié)閥CEX025VL開啟，旁路小流量調(diào)節(jié)閥CEX026VL關(guān)閉；機(jī)組在30%以下額定功率運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水大流量調(diào)節(jié)閥CEX025VL關(guān)閉，旁路小流量調(diào)節(jié)閥CEX026VL開啟。凝結(jié)水流量控制站系統(tǒng)布置如圖1所示。

在方家山機(jī)組的運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)組在低于30%功率區(qū)間運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥CEX026VL及其管道振動(dòng)極大，通過對閥門管道振動(dòng)的檢測，確定振動(dòng)的激勵(lì)源來自CEX026VL閥門本身，并且主要表現(xiàn)出以下特征：

1) 閥門開度在20%以下時(shí)振動(dòng)很小，隨著開度的增大，振動(dòng)明顯增大，在機(jī)組功率30%時(shí)，閥門開度90%，此時(shí)振動(dòng)最大，閥門關(guān)閉后無明顯振動(dòng)現(xiàn)象；

2) 凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥CEX026VL的入口管段振動(dòng)較??；閥門出口至異徑管喇叭口段振動(dòng)趨勢明顯增大，異徑管末端和直管段的連接部位振動(dòng)最大，直管段到隔離閥法蘭位置振動(dòng)又逐漸減??；

3) 在振動(dòng)較大的位置，其內(nèi)部有類似沙石撞擊金屬的聲音；

4) 由于管道在垂直方向有支撐和阻尼減震器，因此水平方向振動(dòng)比垂直方向振動(dòng)大。

圖1 凝結(jié)水流量控制站

方家山核電站機(jī)組凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥1CEX026VL在低功率期間運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)對閥門本體和周邊設(shè)施造成了極大的危害，曾先后造成閥門定位器振壞、閥門前后端的阻尼減震器振壞、閥桿連接螺母松動(dòng)、閥門支架松動(dòng)旋轉(zhuǎn)，引起了重大的安全隱患。另外，凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥及管道強(qiáng)烈的高頻振動(dòng)，將不斷降低管道和焊縫的疲勞強(qiáng)度，使管道面臨振斷的危險(xiǎn)。

2 原因分析

2.1 振動(dòng)影響因素

2.1.1 管道支撐評估

根據(jù)現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)，CEX026VL閥門所在管道的管徑長徑比大，剛性支架點(diǎn)布置合理，管系自身剛度較大，不存在低頻共振特性。經(jīng)查詢電站設(shè)計(jì)文件，閥門前后支架的安裝完全符合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場檢查支架也無缺陷。同時(shí)，核電站在大修期間針對性地實(shí)施了管道振動(dòng)整治方案，在閥門兩側(cè)增加了萬向阻尼器，但經(jīng)過前后比對，振動(dòng)沒有明顯減弱，說明管系支撐不足不是閥門振動(dòng)的原因。

2.1.2 氣蝕現(xiàn)象

判斷氣蝕現(xiàn)象是否發(fā)生是基于阻塞流的原理，在調(diào)節(jié)閥中，阻塞流是指流體在流過節(jié)流部件時(shí)所達(dá)到的最大流量狀態(tài)，即極限狀態(tài)[2]。調(diào)節(jié)閥的流道相當(dāng)于節(jié)流孔板，高壓流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，靜壓能與動(dòng)壓能相互轉(zhuǎn)換，流速增加導(dǎo)致壓力降低，壓力變化如圖2所示。

圖2 氣蝕產(chǎn)生機(jī)理

阻塞流的形成正是因?yàn)楫?dāng)閥門最小節(jié)流口的壓力降至或低于該流體在入口溫度下的氣化壓力(即飽和蒸汽壓)時(shí)，液體發(fā)生了相變，氣化形成氣泡，限制了閥門的流通能力。帶有氣泡的液體在寬敞的下游流道中流速下降，壓力回升，當(dāng)壓力回升至等于或高于飽和蒸汽壓時(shí)，氣泡破裂，恢復(fù)液相，這就是空化過程。氣泡破裂時(shí)，釋放出巨大的能量，發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，對閥芯、閥座等節(jié)流元件產(chǎn)生破壞，此時(shí)即為氣蝕現(xiàn)象。氣蝕的產(chǎn)生與否和壓差有關(guān)，當(dāng)閥門的實(shí)際壓差大于產(chǎn)生空化的臨界壓差，并且出口壓力等于或高于飽和蒸汽壓時(shí)，就產(chǎn)生氣蝕，同時(shí)導(dǎo)致強(qiáng)烈的振動(dòng)。

由于閥門CEX026VL結(jié)構(gòu)形式為單級(jí)節(jié)流，且經(jīng)過縮徑后閥門閥芯處節(jié)流作用明顯，因此閥門前后壓差大。另外，根據(jù)振動(dòng)的表現(xiàn)形式，內(nèi)部類似沙石沖擊的聲音與氣蝕表象也十分相似，由此判斷該閥發(fā)生氣蝕的可能性較大。但要確切判斷氣蝕是否產(chǎn)生，需進(jìn)一步計(jì)算分析方可確定。

2.1.3 流速問題

當(dāng)流體在一定通徑的管道內(nèi)低速流動(dòng)時(shí)，往往呈層流狀態(tài)，流動(dòng)穩(wěn)定；而流速過大時(shí)，就容易形成湍流，即紊流，特別是當(dāng)管系中存在變徑時(shí)，湍流就會(huì)加劇。湍流形成時(shí)，流體內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)紊亂，流速與流向不穩(wěn)定，同時(shí)產(chǎn)生隨機(jī)脈動(dòng)。由于湍流的激振頻帶較寬，易使周邊管道設(shè)備形成強(qiáng)迫振動(dòng)。

方家山核電站機(jī)組凝結(jié)水抽取系統(tǒng)旁路調(diào)節(jié)閥CEX026VL所在管道設(shè)計(jì)的單相水最高流速為3 m/s，如實(shí)際凝結(jié)水流速過高，形成湍流，高速撞擊閥門管壁，易形成寬幅激振頻帶的高強(qiáng)度的強(qiáng)迫振動(dòng)。

2.2 計(jì)算分析

通過上述的原因分析，將凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥振動(dòng)的可能原因集中在氣蝕和流速過大兩方面，因此，本文根據(jù)方家山機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和閥門技術(shù)參數(shù)，分別從上述兩方面進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2.1 氣蝕的理論計(jì)算

根據(jù)阻塞流的原理可知，達(dá)到阻塞流條件就會(huì)產(chǎn)生氣蝕，而判斷阻塞流發(fā)生的條件是閥門的實(shí)際壓差ΔP大于或等于產(chǎn)生阻塞流時(shí)的臨界壓差ΔPs，即：

ΔP=P1-P2≥ΔPs

當(dāng)機(jī)組功率處于30%FP切換點(diǎn)時(shí)，CEX026VL閥門振動(dòng)最大，此時(shí)根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)，閥門開度為90%，閥前變徑前的進(jìn)口壓力P1為2.8 MPa(絕對壓力)，閥后壓力P2經(jīng)計(jì)算為0.8 MPa；流量計(jì)CEX002KD測量的流量約為1 700 t/h；水溫33 ℃。

故可以得到閥門CEX026VL前后實(shí)際壓差ΔP為：

ΔP=P1-P2=2.0 MPa

因此，重點(diǎn)是如何計(jì)算發(fā)生阻塞流的臨界壓差ΔPS，根據(jù)公式[2]：

式中：FL——閥門壓力恢復(fù)系數(shù)，由閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定；

Pvcr——當(dāng)發(fā)生阻塞流時(shí)，其靜縮流處最大流速對應(yīng)的最小壓力。

Pvcr與液體介質(zhì)的物理特性有關(guān)，即：

Pvcr=FFPv

式中：Pv——液體在入口溫度下的飽和蒸汽壓。

FF——臨界壓力比系數(shù)，是液體在入口溫度下的Pv和液體的臨界壓力Pc之比的函數(shù)。

因此發(fā)生阻塞流的臨界壓差公式為：

式中：P1——閥前壓力，2.8 MPa；

Pc——熱力學(xué)臨界壓力，對水是22.1 MPa；

FL——閥門壓力恢復(fù)系數(shù)，根據(jù)CEX026VL設(shè)計(jì)資料，為0.828；

Pv——相應(yīng)溫度(33 ℃)下水的飽和蒸汽壓力，為0.005 MPa。

故計(jì)算得：

=1.916 MPa

顯然ΔP>ΔPs，且P2>Pv，說明達(dá)到了氣蝕發(fā)生條件，閥門內(nèi)部發(fā)生了汽蝕。

2.2.2 流速計(jì)算

流速過大是造成閥門和管道強(qiáng)迫振動(dòng)的另一個(gè)原因，衡量流速是否過大，那么就要看該管段的實(shí)際流速是否大于管道設(shè)計(jì)流速。當(dāng)機(jī)組處于30%FP切換點(diǎn)時(shí)，旁路調(diào)節(jié)閥CEX026VL的開度為90%，查詢CEX026VL開度流量曲線，其流量特性為線性，從曲線中可得90%開度對應(yīng)的額定流量系數(shù)Cv為552(如圖3所示)。

圖3 閥門CEX026VL的流量特性曲線

根據(jù)：Cv=1.167Kv，換算成Kv值為473。那么閥門的計(jì)算流量為：

=2 075 t/h

式中：ΔPs——閥門發(fā)生阻塞流的臨界壓差;

SG——流體比重，水在33 ℃時(shí)的比重為0.995 kg/dm2。

由于管道中有其他的阻力件，因此實(shí)際的閥門流量小于2 075 t/h，根據(jù)主管道測量壓力為1 700 t/h，基本相符，因此以1 700 t/h計(jì)算。CEX026VL閥門所在管道變徑前管道規(guī)格為φ406.4 mm×12.7 mm，變徑后管道規(guī)格為φ222 mm×22.3mm。CEX026VL管道變徑前后的流速V前和V后分別為：

式中：S1——變徑前的管道截面積；

S2——變徑后的管道截面積。

由此可見，計(jì)算所得的流速明顯大于管道設(shè)計(jì)推薦的單相水最高流速(3 m/s)，對于閥門內(nèi)部的最窄處(閥芯與閥座的間隙流道)則流速更高，說明閥門及變徑管內(nèi)部形成了湍流現(xiàn)象。

2.3 原因分析結(jié)論

針對凝結(jié)水旁路調(diào)閥振動(dòng)的原因，首先從現(xiàn)場振動(dòng)分布情況和管道振幅的檢測，明確了閥門的振源來自于閥門本身，排除了其他外界振動(dòng)傳導(dǎo)所致的因素。同時(shí)，通過閥門所在管道支架設(shè)計(jì)的核查，也排除了閥門支撐不足的原因。

其次，從閥門開度改變引起流體動(dòng)力特性變化的角度出發(fā)，經(jīng)過阻塞流原理的運(yùn)用和臨界壓差的計(jì)算，確定了引起閥門振動(dòng)的根本原因?yàn)殚y門在特定工作區(qū)間內(nèi)壓差過大而引起了氣蝕的發(fā)生。當(dāng)氣蝕產(chǎn)生的氣泡迅速凝結(jié)破裂，釋放巨大能量，流體在高壓差作用下以極高速度流向這些原本被汽泡占有的空間，形成極大的沖擊力，從而使管道產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，同時(shí)對材質(zhì)表面造成嚴(yán)重?fù)p傷。

最后，通過閥門實(shí)際流速的計(jì)算和管道設(shè)計(jì)推薦單相水最高流速的對比，說明流速過大引起了湍流。形成湍流的凝結(jié)水高速?zèng)_擊閥門結(jié)構(gòu)，形成寬幅激振頻帶的高強(qiáng)度的強(qiáng)迫振動(dòng)，這是加劇閥門振動(dòng)的貢獻(xiàn)原因。

3 改進(jìn)對策

3.1 短期緩解措施

由于方家山核電站機(jī)組凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥CEX026VL的振動(dòng)已對閥門、支架等部件產(chǎn)生了較大危害，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此為避免閥門振動(dòng)引起功率波動(dòng)事件，電廠從機(jī)械、儀控等各方面對凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥采取了一系列的保護(hù)措施和振動(dòng)緩解措施，確保閥門改造策略執(zhí)行之前維持正常運(yùn)行功能，主要包括以下幾方面：

(1)增加閥門兩側(cè)的管道支撐

在方家山核電站機(jī)組101大修和201大修期間實(shí)施了凝結(jié)水管道振動(dòng)整治，在兩個(gè)機(jī)組的CEX026VL兩側(cè)均增加了萬向阻尼器，用于吸收管線振動(dòng)期間的激振力，增加阻尼器后管道的振幅有所減小，從而降低了管道振斷的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)采用分體式的閥門定位器

在方家山核電站機(jī)組101和102大修期間，核電站對閥門的定位器進(jìn)行了改造，將原來一體式的定位器改為分體式的定位器，把定位器移至距閥門半米處，同時(shí)將閥門與定位器之間的氣源管也由硬管改為軟管，避開了閥體的振動(dòng)。采用分體式定位器后，未出現(xiàn)過因定位器故障造成閥門控制失效的情況。

3.2 閥門改造策略

3.2.1 多級(jí)節(jié)流降壓技術(shù)

根據(jù)單級(jí)節(jié)流閥易產(chǎn)生阻塞流的現(xiàn)象，消除阻塞流的常用方法是選用多級(jí)節(jié)流降壓技術(shù)，多級(jí)節(jié)流降壓可從運(yùn)行機(jī)理上防止氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。多級(jí)節(jié)流降壓的原理為：

通過在閥體內(nèi)的流道中設(shè)置若干節(jié)流級(jí)，通過將閥門的總壓差用分級(jí)降壓的方法，使每一級(jí)出口壓力均高于液體的氣化壓力，從而避免氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生(如圖4所示)。因此，采用多級(jí)節(jié)流降壓技術(shù)的調(diào)節(jié)閥可以有效控制氣蝕的產(chǎn)生。

圖4 多級(jí)節(jié)流原理示意圖

3.2.2 多級(jí)節(jié)流閥門選型

根據(jù)CEX系統(tǒng)旁路調(diào)節(jié)閥的技術(shù)規(guī)格書，其規(guī)定的閥門運(yùn)行條件和現(xiàn)場工況基本接近，說明系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)正常，由此判斷出現(xiàn)氣蝕是因?yàn)殚y門選型錯(cuò)誤，單級(jí)節(jié)流調(diào)節(jié)閥在此種工況下易產(chǎn)生氣蝕。因此，解決方家山核電站機(jī)組凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥CEX026VL振動(dòng)大的最有效措施是將閥門改造為多級(jí)節(jié)流的調(diào)節(jié)閥。目前，調(diào)節(jié)閥常用的多級(jí)節(jié)流降壓技術(shù)有多級(jí)節(jié)流閥籠、迷宮型流道設(shè)計(jì)等，均能實(shí)現(xiàn)多級(jí)降壓。根據(jù)凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥的型式和壓差，以及基于改造成本的考慮，優(yōu)先推薦選用多級(jí)節(jié)流閥籠設(shè)計(jì)[1](常見多級(jí)節(jié)流閥籠設(shè)計(jì)如圖5所示)。

圖5 常見多級(jí)節(jié)流閥籠設(shè)計(jì)

3.3 流速緩解策略

根據(jù)上述的分析計(jì)算，閥門處的實(shí)際流速遠(yuǎn)大于單向流的最大設(shè)計(jì)流速，流速的增大勢必增加湍流的強(qiáng)度，使管道的強(qiáng)迫振動(dòng)加劇。同時(shí)流速的增加還使閥后壓力下降過快，易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。因此，緩解閥門振動(dòng)需降低該閥前后的流速，而降低流速就需要增加閥門及管道的流通能力。

由于原設(shè)計(jì)上閥門前后有異徑管的存在，使流通能力下降，因此，該項(xiàng)目改進(jìn)的另一重要策略就是取消原設(shè)計(jì)的異徑管，或減小縮徑程度，以減小流速和湍流的強(qiáng)度。同時(shí)，采用多級(jí)節(jié)流降壓的閥門后，由于多級(jí)節(jié)流的閥門比單級(jí)節(jié)流的閥門流通能力相對要低，將導(dǎo)致閥門Cv值的下降，因此必須增大閥門通徑，確保閥門有足夠的流通能力，從而保證凝結(jié)水系統(tǒng)流量滿足要求。

4 結(jié)束語

調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行過程中的缺陷模式非常復(fù)雜，如何根據(jù)缺陷的表現(xiàn)形式，結(jié)合管閥內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)原理找出缺陷的根本原因是解決問題的前提和關(guān)鍵。

本文首先從凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥現(xiàn)場的振動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，確認(rèn)了振動(dòng)的來源，并根據(jù)阻塞流原理的分析，利用現(xiàn)場參數(shù)重點(diǎn)展開了詳細(xì)的計(jì)算，確認(rèn)了氣蝕的發(fā)生，為后續(xù)行動(dòng)提供了充分的理論依據(jù)。最后，本文根據(jù)理論分析，結(jié)合現(xiàn)場情況，提出了有效的改進(jìn)策略，對后續(xù)整改措施的制定具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。由此可見，可靠的原因分析是解決問題的前提，有了充分可靠的原因分析，就可以有的放矢，針對性地制定出合理、高效的解決方案。

本文對凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥振動(dòng)大的原因分析和改進(jìn)策略的提出，展示了此類調(diào)節(jié)閥缺陷分析的全過程，可以為類似問題的分析和決策提供一個(gè)較好的案例，具有一定的借鑒意義。