核電站循環(huán)水膠球泵管道振動原因分析與解決措施
核電站循環(huán)水膠球泵管道振動原因分析與解決措施，核電站1號機(jī)組常規(guī)島調(diào)試過程中，主給循環(huán)水膠球泵再循環(huán)和大循環(huán)管道都出現(xiàn)振動高情況，根據(jù)《DL/T1103-2009核電站管道振動測試與評估》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算評估，通過對管道振動根本原因分析并采取針對性措施，顯著改善了管道振動情況、使振動降低到合理水平，確保了系統(tǒng)和設(shè)備安全運行。
核電1號機(jī)組是全球臺采用AP1000三代核電技術(shù)的機(jī)組，主給水系統(tǒng)調(diào)試期間，主給水泵再循環(huán)和大循環(huán)管道振動測量結(jié)果未達(dá)到DL/T1103-2009合格標(biāo)準(zhǔn)。為解決該問題，進(jìn)行了振動根本原因分析并采取針對性的降振措施，終治理效果達(dá)到預(yù)期。
1系統(tǒng)設(shè)計和管道振動評價標(biāo)準(zhǔn)
主給水系統(tǒng)設(shè)計參見圖1所示，主給循環(huán)水膠球泵組為3×33.3%配置。主給循環(huán)水膠球泵小流量運行時，再循環(huán)流量1100m3/h、再循環(huán)閥上游與節(jié)流孔板下游壓差約9MPa；大循環(huán)管道在機(jī)組啟動前二回路水質(zhì)調(diào)整時投運，主給循環(huán)水膠球泵為大循環(huán)提供壓頭，大循環(huán)目標(biāo)流量1700t/h，此時大循環(huán)閥前后壓差約8.3～8.8MPa。
一期調(diào)試期間，基于DL/T1103-2009標(biāo)準(zhǔn)評價管道振動水平，參見表1；測量振幅作為分析的輔助參數(shù)。實際執(zhí)行時，通常在大峰值振速測量值大于1倍大峰值振速允許表1管道振動評價標(biāo)準(zhǔn)值(而不是標(biāo)準(zhǔn)推薦的2)時，出于保守考慮即采取降振措施。
大峰值振速測量值值(而不是標(biāo)準(zhǔn)推薦的2)時，出于保守考慮即采取降振措施。引起管道振動的因素很多，常見的有轉(zhuǎn)動設(shè)備作用在管道上的激振力、流體脈動產(chǎn)生的激振力、水錘、汽蝕、管道剛度不足等。調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)管道振動問題時，應(yīng)綜合考慮工程進(jìn)度、費用、有效性等因素，避免盲目的對管道布置、或主要設(shè)備做大的改動，而是針對現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行根本原因分析，借鑒成功經(jīng)驗，采取針對性強(qiáng)、工程量小的治理措施。
(mm/s) 振動品質(zhì) 評定要求
0≤ 優(yōu)秀 無
12.4< 合格 跟蹤
> 應(yīng)評估 進(jìn)行應(yīng)力評價
> 不可接受 建議處理
2管道振動概況、分析與治理
2.1主給循環(huán)水膠球泵再循環(huán)管道
2.1.1振動概況
3臺主給循環(huán)水膠球泵再循環(huán)管道振動現(xiàn)象類似，以C泵再循環(huán)管道為例，測點1所在管段晃動幅度大、頻率低，測點3、4所在管段振幅較小、但振動頻率高，測點2處振動介于兩段水平管之間。從改造前振速測量結(jié)果來看，3、4點振速接近、甚至超過1倍限值。管道布置參見圖2、振動數(shù)值參見表2。
2.1.2根本原因分析
先，對管道支吊架安裝情況進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)并處理了部分吊架吊桿彎曲未受力、限位支架的限位間隙偏大等問題。這類問題對管道振動有一定的負(fù)面影響，但從振動狀態(tài)看并非主要因素。
二步，結(jié)合運行現(xiàn)象分析引起管道振動的主要成因�，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥前后管段振動為劇烈，離調(diào)節(jié)閥較遠(yuǎn)的管段振動趨緩；真空除氧器內(nèi)部為常壓時，調(diào)節(jié)閥區(qū)域能聽到間歇性噼噼啪啪的噪音，而隨著給水溫度升高、真空除氧器內(nèi)部壓力升高后，噼噼啪啪的噪音減弱甚至消失。分析認(rèn)為，在給水溫度和真空除氧器壓力較低時，流體經(jīng)過閥門時的激振力、以及部分流體汽蝕引起管道振動；而閥門背壓升高后，主要為激振力引起管道振動。閥門處激振力傳遞給上游管段，而測點1處水平管段僅有吊架設(shè)計、柔性大，且設(shè)計有流量孔板、也存在一定的節(jié)流效果，共同作用下該段管道呈現(xiàn)晃動幅度大、頻率低的振動特點。
三步，分析系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型是否合理。系統(tǒng)設(shè)計已考慮調(diào)節(jié)閥上下游壓差大、容易汽蝕這一情況，因此在閥門下游設(shè)計節(jié)流孔板，將閥門出口壓力提升了約0.83MPa；同時調(diào)節(jié)閥選型時，選用了梅索尼蘭VRT多級扛汽蝕閥籠、且計算確認(rèn)正常使用工況下不發(fā)生汽蝕。故系統(tǒng)設(shè)計和閥門選型合理，不作進(jìn)一步的優(yōu)化。
四步，分析管道支撐改進(jìn)的必要性，并采取合理措施。國內(nèi)核電廠常規(guī)島工藝管道設(shè)計時為了盡可能不限制管道正常運行時的熱膨脹，管道支撐多選用彈簧或剛性吊架，管道柔性大，主給水再循環(huán)和大循環(huán)管道也都呈現(xiàn)這樣的特點。在激振力較大時，柔性管道出現(xiàn)了明顯的振動問題，有必要采取措施改進(jìn)管道支撐設(shè)計。
2.1.3改進(jìn)措施
再循環(huán)管道實施了兩次管道支撐的改造，參見圖2，改造效果參見表2。
一次改造：在小流量閥前增加了Y向液壓阻尼器，不增加管道應(yīng)力、不限制管道熱膨脹，且能耗散掉掉部分振動能量。從測振結(jié)果來看，靠近閥門的測點Y向振速下降31%～42%、但X或Z向振速升高；測點1振動改善效果不明顯。
二次改造：考慮繼續(xù)引入阻尼、消除X/Z向振動能量，鑒于現(xiàn)場空間有限，決定增加一臺RRD300粘滯式阻尼器，可以在所有自由度上起到阻尼減振作用。同時采取措施增大管道剛度：測點1所在水平管段柔性偏高，增加雙徑向限位支座；修改小流量閥后普通限位支架，改為雙徑向限位支座，限位能力加強(qiáng)。從測振結(jié)果來看，管道各測點的振幅和振速進(jìn)一步降低，滿足振速驗收標(biāo)準(zhǔn)。
2.2主給循環(huán)水膠球泵大循環(huán)管道
2.2.1振動概況
二回路水質(zhì)調(diào)整時采取多次間歇式大流量沖洗方式，目標(biāo)流量1700t/h。次投運大循環(huán)時，流量800t/h時管道振動開始加劇且繼續(xù)升高趨勢明顯、完成1個點的振動測量；流量勉強(qiáng)提升到1300t/h時管道振動非常劇烈、以至于無法保持流量完成振動測量。大循環(huán)管道布置參見圖3，800t/h工況下振動測量值參見表3。
2.2.2根本原因分析
一步，檢查并處理了吊架吊桿彎曲未受力、限位支架的限位間隙偏大等問題。
二步，結(jié)合運行現(xiàn)象分析引起管道振動的主要成因。大循環(huán)調(diào)節(jié)閥前后管段振動大、且噪音明顯；隨著流量的升高，管道振動更趨劇烈，初步懷疑閥門處發(fā)生汽蝕。經(jīng)核實，大循環(huán)調(diào)節(jié)閥選用了普通閥籠，對試驗工況下進(jìn)行計算、確認(rèn)發(fā)生汽蝕。流體經(jīng)過閥門的激振力、以及閥門處發(fā)生汽蝕，是引起管道劇烈振動的主要因素。
三步，分析系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型是否合理。汽蝕是管道振動的重要成因，如選用CAV-III扛汽蝕閥籠能降低或消除汽蝕，但選型設(shè)計、制造和運輸保守周期需要一年時間，該方案不可行。在維持當(dāng)前閥門選型的前提下,考慮在閥門下游增加節(jié)流孔板、提高閥后壓力，從而減少汽蝕的影響。
四步，分析管道支撐改進(jìn)的必要性和可行性。與再循環(huán)管道分析與處理思路一致，應(yīng)增強(qiáng)管道剛度，同時引入阻尼器在所有自由度上起到阻尼減振作用。
2.2.3改進(jìn)措施
大循環(huán)管道實施了兩次改造，參見圖3，改造效果參見表3。
一次改造：
(1)在調(diào)節(jié)閥下游增加了4級節(jié)流孔板、靠近凝汽器處增加了單級節(jié)流孔板，在目標(biāo)流量下將閥后壓力提高到3MPa。經(jīng)核算，1400t/h以上流量閥門不發(fā)生汽蝕或閃蒸。
(2)為增加管道剛度：
①調(diào)節(jié)閥前彎頭處增加支撐;
②將閥前普通導(dǎo)向支架修改為管部雙徑向限位支座，限位能力加強(qiáng);
③調(diào)節(jié)閥后彎頭下方豎直管剛性支架處增加雙徑向限位支座。
此輪改造后，大循環(huán)流量能提升到1300t/h，振動目視較改造前有改善、并且完成了振動測量工作；但繼續(xù)提升流量存在較大風(fēng)險，新增節(jié)流孔板處振動較改造前增大。
二次改造：參考再循環(huán)管道改造經(jīng)驗，在大循環(huán)管道振動劇烈位置安裝了4個RRD粘滯式阻尼器（圖示為部分管段），在所有自由度上起到阻尼減振作用。
兩輪改造完成后大循環(huán)流量順利提升到1700t/h，振動目視較之前平穩(wěn)；從測振數(shù)據(jù)看，振幅均優(yōu)秀，測點1、3振速合格，測點2振速超標(biāo)。測點2振速超標(biāo)，分析認(rèn)為與采用普通閥籠相關(guān)；考慮到大循環(huán)僅在調(diào)試和機(jī)組啟動前水質(zhì)調(diào)整時投運，使用頻率低，故調(diào)試階段不作進(jìn)一步優(yōu)化。
3結(jié)語
主給循環(huán)水膠球泵再循環(huán)和大循環(huán)調(diào)節(jié)閥前后壓差大、通過流量高，運行工況惡劣，同時管道柔性較大，這些因素共同促成主給循環(huán)水膠球泵再循環(huán)和大循環(huán)管道振動大問題。
在處理主給循環(huán)水膠球泵再循環(huán)和大循環(huán)管道振動問題過程中，采取了合理的分析方法，即：
(1)先檢查并處理不滿足設(shè)計要求的支吊架安裝問題，確保現(xiàn)場安裝滿足設(shè)計要求。
(2)結(jié)合運行現(xiàn)象分析引起管道振動的主要成因。
(3)分析系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型是否合理。
(4)分析管道支撐改進(jìn)的必要性�；谶@種基本的分析思路，采取有針對性的治理措施，成功地將管道振動降低到合理水平。
對于還在設(shè)計階段的核電項目，可以從所述案例中吸取經(jīng)驗，在系統(tǒng)和管道布置設(shè)計、閥門選型早期即采取措施避免管道振動。對于已在調(diào)試或運行的核電項目，也可借鑒所述分析和治理方法處理管道振動問題。
