CPR1000核电厂孔板汽蚀诱发管道振动分析及工程改进

卫媛媛，李 辉，朱 峰，孔 斌，商昌忠

(中广核工程有限公司，深圳518172)

CPR1000核电厂孔板汽蚀诱发管道振动分析及工程改进

卫媛媛，李 辉，朱 峰，孔 斌，商昌忠

(中广核工程有限公司，深圳518172)

针对核电厂发生的管道振动和噪声问题，计算表明限流孔板汽蚀是根本原因，通过数值计算分析提出了工程改进方案。改进后的工程测量结果表明改进方案既解决了孔板汽蚀问题，也方便现场快速有效地进行调整，节省工期。

孔板；汽蚀；振动和噪声；工程改进

流体系统中汽蚀产生的危害很多文献均有研究，汽蚀会限制系统功能，降低效率，带来严重的振动，产生噪声、阻塞流，造成不可忽略的损害[1-3]。核电厂系统设计中，孔板的应用非常普遍，当流体流过孔板时，由于流通截面的突然缩小，会在其两侧产生一个很大的压降，孔板后的流束缩口处高速流动可引起局部压力低于流体的饱和压力发生汽蚀，待下游压力恢复后气泡破裂形成高速微小流体射流，局部出现高于周围压力数千倍的冲击压，对附近的金属管壁造成破坏[4]。

根据CPR1000各在役和在建核电厂经验反馈，在安全系统或核辅助系统的试验和运行过程中，多次发现因孔板汽蚀导致的管道振动问题，比如安全注入系统(RIS)、安全壳喷淋系统(EAS)和反应堆和乏燃料水池冷却和处理系统(PTR)等，核辅助系统个别小支管与主管连接的管座焊缝曾发生开裂，出现了输送介质泄漏的现象，对系统的正常运行和安全功能造成了影响。

本文主要对CPR1000核电厂孔板诱发管道振动的共性问题进行分析，找出问题原因并制定改进方案，最后通过现场调试数据验证方案的有效性。

以RIS系统为例(见图1)，系统在调试期间需进行流量试验，RIS泵从水箱取水流经限流孔板、阀门后回到水箱验证回路流量满足设计要求。试验时，限流孔板下游仪表管水平方

向发生剧烈振动，并伴有刺耳啸叫声，经测量管道最大有效振动速度高达57.1mm/s(多点多方位测量最大值)，远远超过了允许振动有效速度31.3mm/s(见表1)，有发生管道破裂的风险。根据振动和噪声判断应为节流件汽蚀所致，同时追踪声源排除泵的汽蚀，初步考虑为限流孔板汽蚀导致管线振动。

图1 系统简图Fig.1 system diagram

管线上设备测量结果有效值/(mm/s)水平垂直轴向最大振动有效速度/(mm/s)允许振动有效速度[5,6]/(mm/s)仪表阀154.935.631.254.921.3仪表阀257.141.139.457.121.3

1 原因分析

根据上文分析，对限流孔板进行计算判断限流孔板是否发生汽蚀，计算方法[7]如下：

(1)

其中，σ——汽蚀参数；

pu——孔板上游压力；

pv——饱和蒸汽压力；

pd——孔板下游压力；

σc——临界汽蚀参数。

如果σ<σc，则表明有汽蚀发生。

将RIS系统限流孔板测量数据代入公式中，计算结果σ<σc(见表2)，表明产生了限流孔板汽蚀，可能是造成管道振动的原因。

表2 限流孔板汽蚀计算参数表

2 设计改进

2.1 改进原则

在设计改进方案时，必须维持原有的系统功能和结构完整性，管道和支撑必须满足各类设计工况的应力要求，改进后的系统参数仍能满足设计要求，同时考虑有限的布置空间条件下消除振源和噪音。

2.2 改进描述

发生汽蚀的限流孔板初始设计为单级孔板，表2中的数据表明造成其汽蚀的原因在于孔板承受压降过大以致下游压力低于饱和压力。为保持管线的总压降不变，可以考虑串联多个单级孔板降低每个单板承受的压降或者安装一个多级孔板。串联多个单级孔板的优点是单级孔板的计算方法与加工制造十分成熟，方便拆卸，现场可以直接加工，节省工期，缺点是如汽蚀问题较严重时，需要串联多个单级孔板，对布置空间要求高；安装一个多级孔板的优点是能够很好地改善流体的局部流动防止发生汽蚀，并且节省布置空间，缺点是目前多级孔板的后期调试工作比较依赖供货商，现场无法直接加工，需返厂修改，工期时间长。

结合CPR1000核电厂布置紧凑和工期紧张的现状，同时考虑单级孔板和多级孔板的优缺点，采用一个多级孔板串联一个单级孔板的改进方案(见图2)，多级孔板承受主要压降消除汽蚀、节省布置空间，单级孔板作为调节手段，方便调试阶段现场计算、加工。

2.3 改进计算

将原单级孔板的压降(1.4MPa)按照2n∶2n-1∶…∶2∶1 的比例分配给多级孔板的

第1，2，…，n级，按照单级孔板的汽蚀判断方法对每一级孔板进行汽蚀判断(见公式(1))，要求每一级孔板都不会发生汽蚀。选用5级多级孔板并计算每一级的汽蚀参数，计算结果(见表3)表明不会发生汽蚀，同时将改进后的孔板以单板串联模型带入RIS系统Flowmaster软件模型中进行数值模拟(见图3)，计算出的管道流量数据满足系统设计要求(温度40℃，水箱液位10.67m)。

图2 方案简图Fig.2 modification diagram

图3 模型简图Fig.3 simulation diagram

孔板级数pu(MPaabs)pd(MPaabs)σσc模拟流量/(m3/h)设计要求流量/(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 工程验证

改进方案已在CPR1000核电厂实施，改进后进行RIS系统调试试验时对管道进行了多点多方位测量(与改进前测量位置、仪表一致)，测量结果(见表4)表明本方案对消除原振动有明显效果，且现场噪声大幅度下降，同时测量的流量结果满足设计要求(温度29.6 ℃，水箱液位13.06m)，从根本上解决了汽蚀问题。

表4 改进后管道振动及流量数据

4 结论

数值分析和计算结果表明，限流孔板汽蚀是导致RIS系统管线振动和噪声问题的根本原因。本文采用一个多级孔板串联一个单级孔板的改进方案，既能从根本上解决孔板汽蚀问题，同时也方便现场调试试验，能够更快、更灵活地进行孔径的适时调整以满足系统流量要求。CPR1000核电厂的试验结果证明了方案的工程有效性。

[1] 张宝,胡能祥等.汽水管道中节流孔板的合理使用[J]. 电站系统工程.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] 毛庆,向文元等. 孔板气蚀诱发核级管道振动和噪声问题研究[J].核动力工程,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] 中华人民共和国电力行业标准. DL/T 1103—2009. 核电站管道振动与评估[S]. 北京:中华人民共和国国家能源局,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

卫媛媛(1984—)，女，安徽人，工程师，硕士，现从事核电厂安全系统设计方面研究

TL353+.9

A

0258-0918(2016)06-0865-04