某电厂海水系统首次启动期间管道弹性变形问题处理分析

郭文

摘 要：某电厂海水系统首次启动期间，由于管道布置以及支撑设计存在不足，水泵出口管道发生较大的弹性变形。通过加强支撑等措施，变形明显消除。本文着重分析该系统管道弹性形变的原因及处理方式。

关键词：管道;弹性变形;处理;分析

1.引言

某电厂海水系统的泵出口管道设置有连续的两只90°弯头，弯头中间安装有橡胶膨胀节。系统首次启动时，弯头上的支撑设计存在不足，不能有效吸收水泵启动时管道内流体作用在弯头上的力，导致管道存在明显的弹性变形。通过在弯头上增加锚固支撑的措施，系统启动及运行时管道变形明显消除。本文针对该系统管道变形的原因及处理方式进行详细的讨论和分析。

2.管道弹性变形问题分析

2.1初始管道布置与支撑设计

某电厂海水系统厂房内布置较为紧凑，为避免与系统管道干涉以及保证水流的走向，水泵出口连续设置了两只90°的弯头，并在两只弯头的中间安装有橡胶膨胀节，目的是吸收水泵和管道的振动，避免泵和管道相互影响，相关布置如图1 所示。在初始的设计中，两个弯头上设置了简易的支撑，支撑由一段槽钢及一只U型卡箍构成，并通过膨胀螺栓与地面连接。

2.2管道弹性变形原因分析

该系统的水泵为离心泵，设计为闭阀启泵，而隔离阀安装在第2个弯头的下游。处于两只弯头之间的橡胶膨胀节不能承受轴向的较大拉力，系统运行或启动时，膨胀节两侧的弯头受到了巨大的系统流体力的作用。初始设计的支撑不能与管道及构筑物紧密锚固，弯头受到的力不能有效被吸收，从而使相邻管道产生较大的弹性变形。

水泵出口处弯头主要受到水流静压力和动压力的作用。静压力是由泵出口水流静压产生，动压力则是由水流经过弯头改变速度方向及大小产生。可以利用公式1计算弯头受到的动、静压力：

其中FJ为静压力，FD为动压力。

经过分析可得弯头受到的作用力如公式2所示。

FJX为受到x方向的静压力，FJY为受到y方向的静压力。

弯头所在的管道内径约为0.489米，水泵启动时静压约为1MPa。可以求得，。

由于管径无变化，可以认为通过弯头的水流速不变，但方向改变90°，利用动量守恒公式可得：

计算可得整个弯头在x、y方向上受到的动压力为：

综上，每个弯头在水平和垂直方向上受到的力均为190.704KN。

由于x方向有水泵基础或下游管系作为锚固，管道未出现在此方向上的明显变形。但弯头在y方向上没有足够的锚固，较大的作用力使管道产生弹性变形。

3.管道弹性变形问题处理

由于原有支撑与管道、构筑物不是锚固，不能对弯头承受的力进行有效吸收，故对原有支撑进行了拆除。综合改造代价、作业难度和作用效果，先在弯头下方的地面种植了大量的膨胀螺栓，再将两块底板通过螺栓与地面锚固，底板上焊接大量的竖直钢板，最后竖直钢板与弯头通过焊接的形式连接。由此，弯头就与地面紧密地锚固在一起。通过起泵和运行验证，锚固弯头后，相邻管道未出现明显变形。

4.进一步优化建议

在修改弯头支撑的过程中，由于设备、管道等已安装，同时出于经济效益、作业难度的考虑，采用了将弯头与支撑和底板焊接的方式。此种形式虽有利于吸收管道流体力，但大量的焊接可能对弯头本身产生较大的热应力影响，同时焊接的形式不利于弯头相邻设备的拆卸检修。

在条件允许的情况下，建议在后续类似的问题处理中使用钢筋混凝土支墩代替焊接钢板。即在整个弯头下方處浇筑钢筋混凝土支墩，支墩通过植入的适量钢筋与地面固定，同时使用U形卡箍固定管道以限制竖直方向上的松动。如使用图3所示的支墩，由于该支墩按照弯头的形状浇筑，弯头的外壁与支墩贴合较好，泵启动及运行期间弯头各处受到的力会被支墩吸收。同时，弯头置于半圆形支墩中，需要移动时候可以松开U形卡箍，然后将弯头吊起，这样可以增加系统的可检修性。

5.小结

某电厂海水系统在首次启动期间出现的管道弹性变形问题反映出管道系统中存在如膨胀节等不能承受较大外力的设备时，应充分考虑系统内流体力的影响。电厂对该问题的处理方式以及优化建议，为处理类似设计问题提供了良好的经验借鉴。

参考文献：

[1]顾军，缪亚民，蔡竹平等.AP1000核电厂系统与设备.北京：原子能出版社，2010.155～161.