核电站常规岛系统水锤现象分析

李跃　张海峰

【摘 要】本文分析秦山第二核电厂常规岛系统管道阀门发生过的水锤现象，对常见的水锤现象进行了原理分析，为了限制水锤后果，提出改进建议。

【关键词】水锤；常规岛；振动

1 核电站常规岛水锤

常规岛的许多蒸汽系统如AHP、GSS、GCT、ADG、GPV、SIT、CVI等已发生过多起或大或小的水锤现象。这些水锤现象有的击坏管线及其相关设备；有的引起安全阀的动作；有的使管线振动且发出很大的响声，造成许多破坏性的缺陷，水锤造成许多漏点带压堵。按其发生的时期，可将这些水锤现象分为两大类：第一类发生在机组启动的时候（当蒸汽投运到冷态管线时）；第二类发生在机组正常运行时。

1.1 机组冷态启动时的水锤

1.1.1 MSR A列二级再热器到7A高加的扫气管线水锤分析

MSR A列二级再热器到7A高加的扫气管线，在机组启动时管线会振动并发出很响的水锤声。从管线的结构上来讲这根管线有一段几十米长的接近水平的管道，当机组停运时很容易聚积一些过冷的凝结水（扫气调节阀前无疏水管线）。当机组启动时，在投运MSR二级加热蒸汽时，其扫气先是排往CEX系统，在对管束均热后才转而排向7A高加。在扫气完全转换完成前的这段时间里，此段管线极易发生冷凝水诱导水锤现象。

1.1.2 AHP5B高加到CEX001BA的紧急疏水管线水锤分析

在机组启动时，AHP5B高加到CEX001BA的紧急疏水管线也发生过管道振动并发出很响的水锤声。这是因为它也有一段比较长的管线，且AHP038VL有一点内漏。当机组刚停运时这段管线中充满了过冷的凝结水，由于038VL漏量不大，它还没有来得及将其管线中的水全部排空，这时机组启动，渐渐的就有高温疏水和蒸汽进入CEX高压疏水扩容器，高压疏水扩容器内的压力逐渐升高，就会有一些蒸汽逆向经过038VL进入紧急疏水管线，这些被压入的蒸汽泡就会在充有过冷凝结水的管线中发生蒸汽泡溃灭水锤，当停机或B列高加解列时，蒸汽也可能反向流到紧急疏水管线中，发生水锤现象，如图1：

现038VL的内漏现象已经消除，但7A高加的紧急疏水阀也有类似的内漏现象，如不修好可能也会发生上述的这种水锤现象。

1.1.3 GCT-C第一组调节阀下游的部分引压管线水锤分析

GCT-C第一组调节阀下游的部分引压管线和测温元件等，在机组冷态启动时也因水锤现象被冲开，导致焊点断裂、设备损坏、蒸汽大量外漏。由于GCT-C调节阀处于主蒸汽管路的末端，其结构特点（如图2）极易在调节阀关闭的时候产生很多的冷凝水，这些冷凝水本应通过调阀的旁路疏水阀排向CEX，但此旁路阀一般只开很小的开度无法将疏水排净，所以导致当调节阀开启的时候汽水迅速混合，产生凝结水诱导水锤。

建议在投运蒸汽前将调节阀旁路疏水阀全开，排净调节阀上游的冷凝水。

1.1.4 ADG101VV到ADG031VV之间的管线水锤分析

ADG101VV到ADG031VV之间的管线在新蒸汽投运时也发生过水锤现象，导致管路超压安全阀106VV动作。该段管线（如图3）处于管网的末端，其管路疏水阀210VL、044VL、045VL在新蒸汽投运前后一直处于关闭状态，在ADG031VV、030VV均关闭的情况下，其管道内部极易聚积大量冷凝水。在101VV和031、030VV之间，由于蒸汽冷凝等原因，使其压力下降小于减压阀101VV调节定值101VV开启，而这时101VV上游也会有许多积水因044、045VL的关闭而无法排出。当101VV一旦开启汽水流就会迅速涌入下游管线，导致凝结水诱导水锤的发生，致使管路内部超压安全阀106VV动作。

现已将030VV开了40%左右，使蒸汽不断地流向除氧器，避免冷凝水的大量积聚。但还是建议做好101VV前后的排水工作。注：与此类似，SVA蒸汽管线的疏水站也没有正确的投运，这些蒸汽管道中残留的冷凝水，就是一个潜在的隐患很可能引起管道或除气器传热管的破坏。

1.2 机组正常运行期间出现的水锤

1.2.1 高压缸排汽口到CEX高压疏水扩容器的疏水管线水锤分析

高压缸排汽口到CEX高压疏水扩容器的疏水管线，也因蒸汽驱动型水锤而致使管路破裂、蒸汽外漏。由于这段管路的拐角很多，且高压缸排汽口的湿度很大。水滴夹在蒸汽中形成一个个水弹以蒸汽的速度前进，不断击打着拐角处的管壁，导致管壁被击薄、击穿（图4）。

泄漏后曾将被击穿的漏点用卡子堵住，大修期间进行了处理。建议加装疏水器或改变这段管线多拐角的几何形状。

1.2.2 再如SIT取样间的回水管线所发生的水锤分析

再如SIT取样间的回水管线所发生的水锤现象。由于该段回水管线有很长的一段位于高处的水平管线，这样在回水管的下端始终积有很多的冷凝水，这就决定了有发生水锤的潜在危险。而导致水锤发生的直接原因是有两个VVP的取样管线的排水阀内漏。蒸汽泡被压入充满水的管子里形成了蒸汽泡溃灭水锤。所发出的响声就似锤子打击管壁一般，大约每隔一到两分种就会响一声（图5）。

现已将漏汽的阀门修好，水锤声消失。

2 水锤的原理与对策

由于蒸汽管线的排水不良、保温的不完全、蒸汽供应的不平衡等原因，都会造成管路中有凝结水及水膜的生成。这些凝结水积聚在管路底部，会产生水锤现象。水锤的产生不仅会发出很大的响声，而且还会损坏管路的出口、疏水器、控制机构和管道本身。在蒸汽系统中发生的水锤有两种：蒸汽驱动水锤和凝结水诱导水锤

2.1 蒸汽驱动水锤

凝结水上方快速流动的蒸汽导致水波的形成，蒸汽和水的相互作用，使水变成了一个个坚硬的水实体封住了管道，我们叫它“水弹”。水弹以蒸汽的速度前进，会以很大的力撞击管路内的障碍物和它所遇到的第一个拐角的管壁。就像用锤子锤打一样。

计算公式如下：

Pmax=ρv2

其中：“ρ”是流体的密度，“v”是水塞的速度。

2.2 蒸汽驱动水锤

在某些情况下也叫做“凝结水诱导水锤”。这是由于在一个完全充满水的管子里产生或被压入了一个汽泡，当汽泡被吸收了自身的热量时，它就会坍塌，四周的水立即涌到了这里，会产生很大的压强。

计算公式如下：

Pmax=ρvc

“c”表示声音在水里的速度——大约1290米/秒。

2.3 管道结构上防止水锤产生

由冷凝水诱导产生的超压水锤，能够比蒸汽驱动水锤大10到100倍。在管道结构上防止水锤产生的主要措施有：

1）蒸汽管线从汽源到疏水站必须有一定的斜度。疏水站必须安装在管线开始上升之前的最低处，蒸汽管道的末端，并且每隔100-160米安装一个；

2）疏水必须安装在蒸汽调节阀之前，以排出当阀门关闭时积聚的冷凝水；

3）蒸汽管线中应加装带用滤网和排污袋的“Y”形过滤器，来排除蒸汽中的水分，防止水锤的发生，如CET管线的Y过滤器；

4）所有蒸汽供应系统中的蒸汽调节器必须提供疏排水装置。必须避免回水管的位置在疏水器的上方；

5）在停止供水后蒸汽容易弥漫的地方，尽快启动其他的循环泵，消除蒸汽，如启动ADG001PO。

冷凝水诱导水锤属于冷凝事件，即“蒸汽泡快速溃灭水锤”。它发生在当蒸汽泡完全的被过冷的凝结水包围的时候。由于蒸汽把它的热释放到周围的凝结水和管壁中，从气态改变为液态。由于液体只占有原气态体积的几百到千分之一（这取决于进入的蒸汽的压力）。这样，就在冷凝水中原蒸汽泡所占的空间形成了一个低压空泡，周围的冷凝水将猛冲进来充满这个空间，冷凝水撞击的结果将产生超压并发出撞击管壁的声响。这个超压后果严重。

影响冷凝水诱导水锤的因素有：

1）蒸汽的压力；

2）冷凝水的过冷度；

3）空泡中的不凝结气体；

4）空泡的大小。

如果蒸汽压力很高，冷凝水是过冷的，没有不凝结气体，且空泡足够大，这将会产生足够的压力击坏铁质的阀门，导致蒸汽泄漏，焊缝胀裂。

好的设计和操作的就要避免把高压蒸汽和过多的冷凝水混和在一起，确保蒸汽总管疏水干净，蒸汽不会进入回水管线。然而，当蒸汽通过疏水器进入冷凝水管线当中的时候水锤是会发生的，这时就会经常听到猛烈的撞击声。

3 运行操作注意事项

针对常规岛发生的水锤现象，常规岛运行操作人员要注意以下几点：

1）高压蒸汽和过冷的凝结水相接触就会是一个不稳定的和潜在的易爆混合物。

2）不可以让蒸汽进入充满过冷凝结水的管道。当蒸汽进入冷的管线时要一直保持警惕。

3）让过冷的凝结水进入蒸汽充满的管线要比让蒸汽进入过冷的凝结水的管线还要危险。

4）带压力的蒸汽管线中充满过冷凝结水，不要先尝试排水，首先应关掉蒸汽，然后排水。如果已打开了疏水，发生水锤，则要的关掉它并把蒸汽放掉。管线中的水锤可能继续发生直到蒸汽排尽。

5）在一个隔离的管道中过冷的凝结水和它上方的蒸汽将会处于休眠状态。打开的入口蒸汽阀门或者打开一个排水阀将会触发水锤事件。

4 结语

通过对水锤现象的分析，提醒生产运行人员、设计人员关注水锤现象的产生原理和破坏力，为了保护设备，保护人员安全，需要认真分析反馈现场的水锤问题，采取必要的补救措施和设计改造，从而保证机组设备的安全稳定运行。

[责任编辑：王楠]