4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动问题分析与处理

魏邦华,陈锦裕

(福建福清核电有限公司,福建 福清 350300)

辅助给水汽动泵ASG003/004PO是核岛重要辅机，是专设的核安全设备。该泵组主要功能在事故工况下向蒸发器供水，以便排出余热和冷却一回路系统，从而使机组转入到余热排出系统投入运行的冷停堆状态[1]，该泵由汽轮机驱动，汽轮机与泵共轴并在同一个铸造壳体内。汽轮机为单列调节级、背压式。该泵组用于紧急情况下向蒸发器供水，保证一回路冷却。该泵采用100%冗余配置，正常状态是两台泵均处于备用状态，事故情况下启动一台辅助给水汽动泵即可满足蒸发器冷却及堆芯余热排出，如该泵故障不可用则会触发第一组IO。根据运行技术规范若辅助给水汽动泵不可用将会产生第一组IO，检修必须在3天内完成。

1 辅助给水汽动泵主要技术指标

辅助给水汽动泵涉及反应堆的安全，因此对辅助给水汽动泵技术指标要求非常高，一般百万千瓦等级核电站均配套两组(ASG003PO/004PO)独立的辅助给水汽动泵组，在主给水泵不能用时，任意一台辅助给水汽动泵启动均能够向二回路蒸发器提供足够的给水流量，将反应堆维持在冷停堆状态，确保反应堆安全[2]。辅助给水汽动泵在核电站中非常重要，在设计上对辅助给水汽动泵组的技术指标有非常严格的要求，在辅助给水汽动泵招标的采购技术规格书中已明确供应商所提供的辅助给水汽动泵设备应满足RCC、ASME等标准要求，具体如下：

1)25 s内启动并达到额定转速及额定流量[3]。

2)首台泵应进行200 h的耐久试验，50次启停试验不允许有一次失败，50次变流量试验[3]。

3)辅助给水汽动泵组安全等级为核三级；设备制造法规及等级为RCCM2[4]。

4)辅助给水汽动泵设备抗震等级为抗震1A类，即这些设备在所有地震条件下不仅能保证结构完整，还要能持续可靠运行[4]。

2 某核电站4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动情况简介

2.1 某核电站4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道布置描述

某核电站4ASG004PO汽轮机入口蒸汽取自从汽水分离器4ASG003ZE中的分离后的饱和蒸汽，汽水分离器4ASG001ZE及4ASG003ZE中的蒸汽均来自于3台蒸发器上部主蒸汽母管，4ASG001ZE为4ASG003PO提供主蒸汽，4ASG003ZE为4ASG004PO提供主蒸汽。

在汽水分离器4ASG001ZE及4ASG003ZE底部均设计有疏水排放管道，疏水分别排到下游的4ASG002ZE及4ASG004ZE。4ASG003ZE疏水管道及4ASG003ZE与4ASG004PO间的蒸汽管道示意图详见图1所示，正常情况下疏水通过疏水器排至下游分离器4ASG004ZE分离后回收利用，若疏水器故障可手动打开旁路阀通过旁路疏水。

图1 汽水分离器4ASG004PO蒸汽及疏水管道示意图Fig.1 The schematic of steam and dewatering pipe for vapour-water separator of 4ASG004PO

2.2 该电站4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动特点

在4ASG004PO汽轮机及泵组在解体大修后，进行了性能试验，试验时出现了汽轮机入口管道强烈振动问题，经多次启机试验发现该振动有如下特征：

(1)管道振动不是每次启动均出现

现场进行了35次启动试验，其中8次出现了蒸汽入口管道振动，出现振动时可见管道保温层因振动而脱落，振动非常剧烈。

(2)振动时有异音

当管道出现振动时，可听见明显异音频，振动声音比较沉闷，类似管道带动支撑与支架发生挤压的声音。

(3)振动频率

现场布置测点有专门振动测量仪表对该管道进行了振动测量，经测量发现管道振动时的振动频率为77 Hz，与泵运行时的转频不呈倍数关系，振动速度达到203 mm/s。

(4)管道发生振动时汽轮机喷嘴箱前压力表4ASG003LP表针波动剧烈

当汽轮机入口蒸汽管道发生振动时，观察发现汽轮机喷嘴箱前压力表4ASG003LP表针波动剧烈，汽轮机入口蒸汽管道不出现振动时，汽轮机喷嘴箱前压力表未出现波动，压力显示正常。

(5)有时出现电超速跳泵且泵组的惰转时间异常

在35次启泵过程中其中有4次出现电超速跳泵，且跳泵后泵组的惰转时间明显异常，最长惰转时间达到234 s，是正常惰转时间的10倍。

(6)泵组转速有异常波动

启动后1～2 min，泵组的转速会发生一次瞬间波动，随后泵组的转速趋于正常。

(7)疏水旁路阀状态与管道发生振动有一定的相关性

4ASG003ZE汽水分离器通过正常疏水管道疏水时，有时会发生4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动高的情况，初步分析认为疏水器的疏水能力不够，因此要求运行部门微开疏水器的旁路阀，微开疏水器的旁路阀后进行了几次验证均未出现管道振动。据此分析认为疏水管存在疏水不畅问题，后续试验时为了保证疏水顺畅，全开了疏水旁路阀，经验证全开疏水旁路阀，4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道有时也会出现振动，特别是在关小泵的出口流量调节阀时，特别容易产生汽轮机的入口蒸汽管道出现较强的振动。

(8)管道发生振动时汽水分离器4ASG003ZE入口母管蒸汽压力不稳定

对汽水分离器4ASG003ZE入口母管蒸汽压力测点4ASG018MP进行监测，发现汽轮机入口蒸汽管道发生振动时汽水分离器4ASG003ZE入口母管蒸汽压力4ASG018MP有较大波动，启动泵组汽轮机入口蒸汽管道未发生振动时4ASG003ZE入口母管蒸汽压力4ASG018MP有非常稳定，具体详见图2、图3所示。

图2 管道振动时汽水分离器入口蒸汽母管压力Fig.2 The inlet steam pipe pressure of vapour-water separator during pipe vibration

图3 管道不振时汽水分离器入口蒸汽母管压力Fig.3 The inlet steam pipe pressure of vapour-water separator during pipe not vibration

3 该核电站4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动高原因分析

造成4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动产生的可能原因较多，可能原因主要有汽液二相流振动、气柱共振、支吊架布置不合理、泵侧因素影响、管道共振等方面原因均可造成汽轮机入口蒸汽管道振动，4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动到底是何种原因造成的还需仔细排查分析。

3.1 汽水分离器4ASG003ZE与4ASG004PO间蒸汽管道及疏水管布置图分析

汽水分离器4ASG003ZE与4ASG004PO间蒸汽管道上并列布置两个气动隔离阀4ASG237VV/238VV，该阀后未设计疏水管道，该蒸汽管道设计时通过管道坡度进行疏水，即4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道的水平管段均向汽水分离器4ASG003ZE留有坡度，在4ASG003ZE底部设计有疏水管道，所有疏水均是从此排出。因此若该疏水管道疏水不畅非常有可能造成汽轮机的入口蒸汽管道带有疏水，导致蒸汽品质下降，蒸汽管道内出现汽、液二相流工况，而二相流在管道中流动时，当系统压力发生变化，会出现汽、液二相间的转化，产生管道振动。

3.2 汽轮机入口蒸汽管道振动可能原因分析表

为了排查故障，列出导致4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动可能原因如表1所示。

表1 汽轮机入口蒸汽管道振动可能原因分析表

3.3 汽轮机入口蒸汽管道振动初步原因分析

从4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动特点分析汽、液二相流导致管道振动的可能性较大。主要原因初步归纳如下：

1)管道振动时，汽轮机喷嘴前压力表表针剧烈波动，这一现象是典型的汽、液二相流产生的振动特征。

2)每次启动后1～2 min均会出现一个转速波动，该现象符合蒸汽中含疏水的故障特征。

3)电超速跳泵时泵组惰转时间非常长据此初步分析可能蒸汽管中含疏水，该疏水流动到汽轮机的进汽调节阀后，因调阀的节流降压，汽轮机喷嘴前的蒸汽压力较调阀前的蒸汽压力要低，压力降低的情况下，饱和水会发生汽化形成蒸汽推动汽轮机转子转动，因此造成泵组的惰转时间非常长。

4)当管道内存在汽、液二相流时容易产生振动，但并不是一定发生振动，只有当压力发生变化，汽、液二相间进行转化时才会发生振动。在关小泵出口流量调节阀时，汽轮机的入口蒸汽调节阀也会自动关小，汽轮机进汽调节阀前蒸汽管道内的压力会升高，此时管道中的二相流所含有的水泡会破裂，产生噪音，水泡破裂后周围的高压水、汽快速填补破裂区，产生水锤导致管道振动。

5)管道共振、泵侧因素影响、气柱共振以及支吊架布置方面的原因产生的振动，不会出现管道有时振动，有时不振的现象，且也不会出现汽轮机电超速跳泵后惰转时间异常的问题。

4 该核电站4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动高原因排查

4.1 管道支吊架布置方面排查

管道发生振动时，蒸汽管道入口振幅达到203 mm/s，频繁为77 Hz，是正常运行时的34倍。泵3 000 r/min时的频率是50 Hz，8 000 r/min是133.3 Hz，由此判断蒸汽管线振动不是泵振动引起的，初步检查管道系统支吊架发现有三处支吊架间隙超标，现场已按设计图纸进行了调整，支吊架调整情况如表2所示。

表2 管道支吊架间隙调整记录表Table 2 The adjusting record of pipe support gap

经对比该泵入口管道自身历史运行状态，在本次401大修前，第一个运行循环内均没有发生管道振动异常问题，仅401大修后出现该问题，401大修期间未对管道改动。且支架间隙调整后起泵验证汽轮机入口蒸汽管道也会出现强强烈振动，据此排除了支吊架布置方面的原因导致4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动。

4.2 气柱共振排查

气柱共振的原理是空气柱(或蒸汽柱)的固有频率与驱动的动力机械的工作频率或叶片数的倍频相同或接近时，气柱产生共振，进而使管道出现振动，气柱共振现象常见于气压机或空压机系统[5]。现场测得4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动频率为77 Hz，若蒸汽柱的固有频率是77 Hz，现场测得的所有管道、设备的固有频率均与77 Hz没有倍数关系，况且4ASG004PO汽轮机入口蒸汽并非是由动力机械驱动，而是蒸发器产生，另外若是气柱共振导致管道振动，应该每次启动泵组均会产生振动，而现场管道振动现象是有时振动、有时不振动，故4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动是气柱共振导致的振动也被排除。

4.3 管道共振排查

共振是当系统的固有频率与激振力的频率相近或相等时，系统出现强烈振动的的物理现象[6]。4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道251管段及252管段的低阶固有频率进行了测量，测得低阶固有频率结果如表3所示。

表3 汽轮机入口蒸汽管道固有频率测量记录表

从测得的固有频率初步分析，与管道的振动频率77 Hz没有明显的相关性，而泵组的转运频率133 Hz，与管道振动频率77 Hz存在明显偏离，基本可排除该振动是管道共振因素导致的。

4.4 泵侧因素影响排查

检查了泵入口阀，泵入口阀已全开且泵入口压力正常，不存在因泵入口阀未全开导致泵的汽蚀从而影响汽轮机入口蒸汽管道的振动，泵组运行过程无论是汽轮机入口蒸汽管道振动或是不振动泵的出口压力基本稳定，泵组的流量及扬程符合泵的流量特性曲线，基本上可以排除泵侧因素的影响造成汽轮机入口蒸汽管道振动。

4.5 汽液二相流排查

正常情况下4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道中应为饱和蒸汽，若要形成汽、液二相流则必然要有水，为了排查蒸汽管道中水的来源，主要进行了以下排查：

(1)汽水分离器4ASG003ZE底部疏水管道疏水能力排查

在4ASG004PO、4ASG003PO均处于备用状态下分别打开汽水分离器4ASG003ZE、4ASG001ZE底部的正常疏水阀，测量疏水排放口收集池的温升情况，测量记录详见表4所示。

表4 4ASG003ZE与4ASG001ZE疏水管疏水能力对比表

从测量结果比较，4ASG004PO对应的汽水分离器4ASG003ZE底部正常疏水能力明显弱于4ASG003PO对应的汽水分离器4ASG001ZE的正常疏水，初步判断4ASG003ZE的正常疏水管道上的疏水器可能有问题，决定将该疏水器进行更换，换上新疏水器后起泵验证4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道仍然有振动问题，对换下来的疏水器解体检查该疏水器未发现明显异常，可以排除疏水器有问题，推断4ASG003ZE疏水管道某处可能有轻微堵塞。

(2)汽水分离器4ASG003ZE旁路疏水阀开、关试验

为了验证汽水分离器4ASG003ZE的疏水管道是否存在堵塞问题，决定在疏水旁路阀全开、微开及全关三种状态下起泵进行试验，发现4ASG 004PO汽轮机入口蒸汽管道振动与疏水旁路阀的开关状态有一定的相关性，试验记录如表5所示。

表5 汽水分离器4ASG003ZE疏水旁路阀开、关时管道振动情况

从疏水旁路阀开关试验分析，当旁路阀全关时因疏水管道存在轻微堵塞，汽水分离器4ASG003ZE的液位会相对较高，蒸汽吹着疏水进入了4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道，形成汽、液二相流流动。当疏水旁路阀全开时，从图1疏水系统图可知，旁路疏水阀的下游接通了汽轮机的排汽管(与大气相通)，会造成汽水分离器4ASG003ZE内部的蒸汽压力快速下降，从图5压力曲线上明显看出当发生管道振动时4ASG003ZE内部的蒸汽压力明显下降，其底部的疏水会因汽压下降而沸腾，在汽水分离器内部形成大量汽泡，汽泡内含有水珠，汽水分离器上游来汽吹着这些汽泡进入了4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道，形成汽、液二相流流动。当疏水旁路阀微开时，因阀门开度较小，4ASG003ZE内部的蒸汽压力下降不明显，其内的疏水不会产生沸腾，且因微开的旁路疏水阀可以通过汽轮机排汽管消耗一部分疏水(疏水汽化成水蒸汽通过汽轮机排汽管排走)，弥补了疏水管疏水能力偏弱的不足，维持了汽水分离器4ASG003ZE下部的液位在合理的范围内，因此当旁路疏水阀微开时均未出现管道振动。

(3)汽水分离器4ASG003ZE旁路疏水及正常疏水灌水试验

为了进一步验证疏水管确实存在轻微堵塞，决定做一灌水试验，打开汽水分离器4ASG003ZE的人孔门，向汽水分离器内灌水，关闭旁路疏水阀，在疏水器后第一个法兰处拆开管道并收集疏水，收集1 h的疏水量并称重；打开旁路疏水阀，关闭正常疏水阀，在疏水排放口收集池处收集1 h的疏水量并称重，疏水量记录如表6所示。

表6 汽水分离器4ASG003ZE正常疏水管与旁路疏水管灌水试验记录表

从灌水试验的结果比较，旁路疏水打开时的疏水能力明显弱于正常疏水，疏水能力是正常疏水的一半左右，但比较设计图纸疏水器上的疏水孔径是φ5 mm，而疏水旁路管的内径φ9 mm，通流面积上比较旁路疏水的通流面积约是正常疏水的通流面积的3.24倍，在相同的灌水压力及相同的时间内，打开旁路的疏水量应高于正常疏水的疏水量，而灌水试验结果恰恰相反。由此断定正常疏水与旁路疏水管道汇流后的下游某处疏水管道一定存在堵塞问题。

(4)汽水分离器4ASG003ZE高液位报警验证

若疏水管道某处存在堵塞，则在关闭疏水旁路阀一段时间后，汽水分离器4ASG003ZE上的液位报警器4ASG016SN会出现液位高报警，除非4ASG016SN故障失去报警功能。为了验证，现场将疏水旁路阀关闭8个小时后确实出现4ASG016SN高液位报警，因此确定汽水分离器4ASG003ZE正常疏水与旁路疏水管道汇流后的下游某处疏水管道一定存在堵塞问题。

(5)该核电站4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动高故障处理

经细致排查已锁定4ASG004PO汽轮机入口蒸汽管道振动高问题是疏水不畅的原因导致，现场在4ASG003ZE汽水分离器的正常疏水管下游重新接出一路疏水管道，确保4ASG003ZE汽水分离器疏水正常，经多次启动4ASG004PO验证，汽轮机入口蒸汽管道未出现振动问题。

5 结论

汽水分离器4ASG003ZE疏水管道疏水不畅，会导致汽水分离器液位升高，可以造成4ASG004PO汽轮机的入口蒸汽管道带有疏水，导致蒸汽品质下降，泵组启动时会造成转速波动，甚至可造成电超速跳泵。同时蒸汽管道内将出现汽、液二相流工况，若此时关小泵出口流量调节阀，则汽轮机的入口蒸汽调节阀也会自动关小，汽轮机进汽调节阀前蒸汽管道内的压力会升高，此时管道中的二相流所含有的水泡会破裂，产生噪音，水泡破裂后周围的高压水、汽快速填补破裂区，产生水锤，最终导致管道强烈振动。

因此在运行及备用状态下务必保证汽水分离器底部的疏水管道疏水畅通，才能保证辅助给水汽动泵的可靠备用。