某電廠海水系統首次啟動期間管道彈性變形問題處理分析

郭文

摘 要：某電廠海水系統首次啟動期間，由于管道布置以及支撐設計存在不足，水泵出口管道發生較大的彈性變形。通過加強支撐等措施，變形明顯消除。本文著重分析該系統管道彈性形變的原因及處理方式。

關鍵詞：管道;彈性變形;處理;分析

1.引言

某電廠海水系統的泵出口管道設置有連續的兩只90°彎頭，彎頭中間安裝有橡膠膨脹節。系統首次啟動時，彎頭上的支撐設計存在不足，不能有效吸收水泵啟動時管道內流體作用在彎頭上的力，導致管道存在明顯的彈性變形。通過在彎頭上增加錨固支撐的措施，系統啟動及運行時管道變形明顯消除。本文針對該系統管道變形的原因及處理方式進行詳細的討論和分析。

2.管道彈性變形問題分析

2.1初始管道布置與支撐設計

某電廠海水系統廠房內布置較為緊湊，為避免與系統管道干涉以及保證水流的走向，水泵出口連續設置了兩只90°的彎頭，并在兩只彎頭的中間安裝有橡膠膨脹節，目的是吸收水泵和管道的振動，避免泵和管道相互影響，相關布置如圖1 所示。在初始的設計中，兩個彎頭上設置了簡易的支撐，支撐由一段槽鋼及一只U型卡箍構成，并通過膨脹螺栓與地面連接。

2.2管道彈性變形原因分析

該系統的水泵為離心泵，設計為閉閥啟泵，而隔離閥安裝在第2個彎頭的下游。處于兩只彎頭之間的橡膠膨脹節不能承受軸向的較大拉力，系統運行或啟動時，膨脹節兩側的彎頭受到了巨大的系統流體力的作用。初始設計的支撐不能與管道及構筑物緊密錨固，彎頭受到的力不能有效被吸收，從而使相鄰管道產生較大的彈性變形。

水泵出口處彎頭主要受到水流靜壓力和動壓力的作用。靜壓力是由泵出口水流靜壓產生，動壓力則是由水流經過彎頭改變速度方向及大小產生。可以利用公式1計算彎頭受到的動、靜壓力：

其中FJ為靜壓力，FD為動壓力。

經過分析可得彎頭受到的作用力如公式2所示。

FJX為受到x方向的靜壓力，FJY為受到y方向的靜壓力。

彎頭所在的管道內徑約為0.489米，水泵啟動時靜壓約為1MPa。可以求得，。

由于管徑無變化，可以認為通過彎頭的水流速不變，但方向改變90°，利用動量守恒公式可得：

計算可得整個彎頭在x、y方向上受到的動壓力為：

綜上，每個彎頭在水平和垂直方向上受到的力均為190.704KN。

由于x方向有水泵基礎或下游管系作為錨固，管道未出現在此方向上的明顯變形。但彎頭在y方向上沒有足夠的錨固，較大的作用力使管道產生彈性變形。

3.管道彈性變形問題處理

由于原有支撐與管道、構筑物不是錨固，不能對彎頭承受的力進行有效吸收，故對原有支撐進行了拆除。綜合改造代價、作業難度和作用效果，先在彎頭下方的地面種植了大量的膨脹螺栓，再將兩塊底板通過螺栓與地面錨固，底板上焊接大量的豎直鋼板，最后豎直鋼板與彎頭通過焊接的形式連接。由此，彎頭就與地面緊密地錨固在一起。通過起泵和運行驗證，錨固彎頭后，相鄰管道未出現明顯變形。

4.進一步優化建議

在修改彎頭支撐的過程中，由于設備、管道等已安裝，同時出于經濟效益、作業難度的考慮，采用了將彎頭與支撐和底板焊接的方式。此種形式雖有利于吸收管道流體力，但大量的焊接可能對彎頭本身產生較大的熱應力影響，同時焊接的形式不利于彎頭相鄰設備的拆卸檢修。

在條件允許的情況下，建議在后續類似的問題處理中使用鋼筋混凝土支墩代替焊接鋼板。即在整個彎頭下方處澆筑鋼筋混凝土支墩，支墩通過植入的適量鋼筋與地面固定，同時使用U形卡箍固定管道以限制豎直方向上的松動。如使用圖3所示的支墩，由于該支墩按照彎頭的形狀澆筑，彎頭的外壁與支墩貼合較好，泵啟動及運行期間彎頭各處受到的力會被支墩吸收。同時，彎頭置于半圓形支墩中，需要移動時候可以松開U形卡箍，然后將彎頭吊起，這樣可以增加系統的可檢修性。

5.小結

某電廠海水系統在首次啟動期間出現的管道彈性變形問題反映出管道系統中存在如膨脹節等不能承受較大外力的設備時，應充分考慮系統內流體力的影響。電廠對該問題的處理方式以及優化建議，為處理類似設計問題提供了良好的經驗借鑒。

參考文獻：

[1]顧軍，繆亞民，蔡竹平等.AP1000核電廠系統與設備.北京：原子能出版社，2010.155～161.