核电厂凝结水系统管道振动原因分析

刘金明

中核辽宁核电有限公司设计管理处 辽宁葫芦岛 125000

某核电站大修结束后，巡检人员现场发现核电站2号机凝结水抽取系统CEX011、016、020管道支吊架变形、卡箍断裂，支吊架失效，查询1号机相同功能位置，发现1号机相同功能位置支吊架也存在同类问题。本文对发生断裂支架的管道进行分析，给出一种新的分析方法，确定支吊架断裂的原因[1]。

1 吊架失效系统管道功能简介

现场发生卡箍断裂或者限位失效的管道主要是1/2CEX011、1/2CEX016和1/2CEX020管道，1/2CEX011、016和1/2CEX020管道流程图如下黄色背景所示：

1/2CEX016管道与1/2CEX011管道相连，主要作用为输送冷却水以冷却疏水扩容器，在机组低功率下，当疏水扩容器排气温度超过75℃时，1/2CEX118VL打开，为1/2CEX101BA提供喷淋水。

1/2CEX020管道与1/2CEX012/013/018/016管道相连，主要作用是冷却凝汽器汽空间，在机组低功率下，当凝汽器汽空间温度75℃时，1/2CEX117/118VL打开，为凝汽器提供喷淋水。

2 吊架失效原因分析

对于管道支吊架发生卡箍断裂或者限位失效通常从设计、安装、运行几个方面分析，发生卡箍断裂或者限位失效的管道主要是1/2CEX011、1/2CEX016和1/2CEX020管 道。1/2CEX-020-005a和1/2CEX-011-001在管系的位置如图2、图3所示。

首先从设计角度对系统管道布置进行分析，整理1/2CEX011、016和1/2CEX020管道等轴图及支吊架清单，1、2号机组管道及支吊架布置相同，，1/2CEX011、016、020管道共布置23个支架，其中只有2个限位支架1/2CEX-020-005a和1/2CEX-011-001，1/2CEX-020-005a和1/2CEX-011-001抱箍全部断裂。

1/2CEX011、016管道规格为140＊6mm，1/2CEX020管道直径为168＊7mm，根据DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》计算，对于直径为140mm，壁厚为6mm的碳钢管道，内部介质为水，保温厚度为0的情况下，管道支架最大间距为7．8m，对于直径为168mm，壁厚为7mm的碳钢管道，内部介质为水，保温厚度为0的情况下，管道支架最大间距为8．8m。水平90°弯管两端支吊架的管道展开长度，不应大于水平直管上允许支吊架的最大间距的0．73倍，对于140＊6mm和168＊7mm水平90°弯管两端支吊架的管道展开长度最大不应该超过5．74m和6．45m。查询1/2CEX011、016和1/2CEX020管道等轴图及支吊架清单，管系中两个支架的最大间距为4m，满足规范对管道支吊架间距的要求[2]。

根据DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》7．2．1．1，管道的一阶固有频率应大于 3．5hz，CAESAR II建模计算1/2CEX011、016、020管道固有频率，计算结果如下表所示：

从以上计算结果可见，1/2CEX016管系、1/2CEX020管系一阶固有频率均小于3．5hz，不满足规范要求。由于管系固有频率低，当管系受到扰动时，容易使管系产生晃动。对于此次发生管箍断裂的支架，由于是限位支架，当管系发生晃动时，作用力完全由限位支架承担，作用力完全作用在管箍上，导致管箍发生断裂。

其次从管道的现场安装核实，1/2CEX011、016、020支架的类型和安装位置与设计图纸基本一致，但是核实到1/2CEX020下游管道1/2CEX012、013、019、020管道及支架发现现场SZ1型支架失效，如下图4所示：

表1 CEX016管系固有频率计算结果

表2 CEX020管系固有频率计算结果

支架失效后使管系刚度进一步降低，扰动引起的晃动变大。对失效的支架原因分析，由于失效支架为SZ1滑动支架，不限制管SZ1管卡在管道上的转动，当管到晃动时，容易使SZ1转动，造成如上图所示的情况。

从系统运行角度分析，现场观察已经损坏的支架与管道接触处，管道漆面有较大的划伤，在系统正常运行期间，1/2CEX016/020/011无晃动，1/2CEX016/020/011支架无晃动，管道支架损坏应该发生在1/2CEX117/118/119VL开关的瞬态。当1/2CEX117/118/119VL动作时，管系内压力突然变化，管道内部可能产生水锤现象，为整个管系引入较大的扰动。

综上所述，在1/2CEX117/118/119VL开启和关闭的瞬间，为管系引入扰动，由于管系固有频率低，使管系产生大的晃动。由于SZ1不限制转动，在管系晃动过程中，SZ1支架失效，进一步降低管系刚度，由于吊架只承担竖直方向上的作用力，水平方向、轴向作用力完全由限位支架承担，巨大的作用力完全作用在管箍上，导致管箍发生断裂[3]。

3 管道振动原因分析方法总结

本文管道振动原因分析方法主要从管道布置方面进行，主要依据规范为DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》，关于支架布置方面通常限制的为管道支架的间距，不规定支吊架的功能，一阶固有频率多为参考值，在电厂管道实际布置过程中较少计算管道的固有频率。

本报告通过分析证明，在满足规范要求的支吊架间距下，管系的固有频率仍有可能偏低，在管道有扰动的情况下仍有可能引起管系的超标振动，从而引起支吊架的损坏。在后继的管系设计过程中，不仅仅考虑管道支吊架间距对管道的影响，应加强对管系固有频率的关注。

同时，在后继分析管道振动的问题时，本报告提供一种新的分析方法，使用该方法，有助于更快的找到管道振动、支架损坏的原因，减少电厂的损失。