压水堆核电厂水锤机理及分析策略

樊凯军，吕 涛，徐 皎，张 强，魏国军，张藤飞

(江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000)

0 引言

核电厂的流体输送任务基本上是通过有压管道实现的，由水锤引起的瞬态是有压管道运行中最主要的风险，因此研究水锤机理及分析策略对核电厂运行安全有重要的现实意义。

水锤是有压管中非恒定流的一种，本质是“流体的惯性”。本文所描述的水锤不仅包括古典水锤，还包括汽锤以及与两相流有关的水锤。古典水锤是指当有压管中的流体速度因某种原因而急剧变化时，引起管内流体内部压力急剧交替变化，并对管道中元件产生巨大冲击的现象。汽锤与古典水锤的主要区别在于后者是液态水介质而前者是水蒸汽介质。而与气液两相流有关的水锤就复杂得多，主要出现在同时含有蒸汽和过冷水的系统中，是运行电厂最常见的水锤形式，也是本文讨论的重点。

1 核电厂水锤的类型及避免建议

基于对国内外工程实践[1]，电厂中可能导致严重水锤的类型可归纳为7种：

类型1：立管中蒸汽冷凝引起的过冷水冲击(水炮)

立管上带有阀门的管道，上部有稳定的蒸汽进入，下部连接在常压过冷水中，在正常工况时，蒸汽供应量等于蒸汽在过冷水中的冷凝量，过冷水在管道中的液位稳定。当立管上阀门关闭或部分关闭时，蒸汽供应量低于冷凝量，过冷水迅速进入管内，后由于流体的惯性，高速运动撞击阀门，引起局部压力陡升，进而对管道和阀门产生巨大冲击力。

避免建议：尽量避免将高温蒸汽通过管道直接排入低温水池。

类型2：水平管段中蒸汽和水的逆向流动(蒸汽/水逆流)

水平管道一段上部通入蒸汽，另一端下部注入少量过冷水时，交界面上蒸汽快速冷凝会产生与过冷水流动方向相反的高速蒸汽。在适当条件下，逆流将向段塞过渡，形成截留蒸汽带。截留蒸汽带快速冷凝、压力急剧降低，过冷水快速填充蒸汽冷凝的空间，后由于惯性，高速运动撞击管道形成水锤。

避免建议：避免通水的管道内充满蒸汽；主蒸汽管道要有可靠的疏水措施且应配置监测手段。

类型3：加压水进入竖直的蒸汽管道(蒸汽囊破裂)

当过冷加压水由底部进入垂直管道或与水平方向倾斜角超过2.4°的管道[1]，上部由于阀门关闭类似于充满饱和蒸汽且封闭的管道，在管道中会形成一个前端湍流大与后部湍流小的蒸汽泡，并向管道上方移动，蒸汽中的热量通过蒸汽/水界面及管道壁面传递出去，内部蒸汽的压力及体积减小，过冷加压水向上移动撞击管道上部。

当过冷加压水由顶部进入垂直管道，下部类似于充满饱和蒸汽且封闭的管道。如果过冷加压水流量较大时，在管道形成栓塞流动，蒸汽泡将在竖直管道较低部位聚集，最终破裂，使局部压力上升，产生水锤。

避免建议：关注阀门的泄漏问题，避免向含有较高温蒸汽的管道内充水。

类型4：热水进入低压管线(低压疏水)

当热水迅速地通过打开的阀门或节流装置至低压管道，导致热水在阀门或节流装置喉部阻塞，节流装置上游发生撞击水锤；节流装置下游管道由于发生闪蒸体积增大，可能发生水塞(形式5：水塞)。

避免建议：尽量避免高温管道快速泄压(尤其下游管道含有冷凝水)，可逐渐缓慢地降压，避免产生破坏性水锤。

类型5：蒸汽推动水塞的冲击(水塞)

蒸汽管道已有局部段被水堵塞或冷凝水初始在U形管线中没有完全填满管道横截面，当快速流动蒸汽推动冷凝水形成完全填满管道横截面的水塞时，蒸汽流推动水塞加速移动，当高速移动的水塞遇到阻挡物时，对阻挡物产生巨大的冲击。

避免建议：蒸汽管道隔离阀下游应设置疏水口，避免局部积水；定期检查疏水系统可靠性(尤其关注设有止回阀的位置)。

类型6：泵阀快速动作(泵阀快动撞击)

若阀的关闭时间比压力波在管道中往返一次的时间短，就称为快速动作阀门。

有压管道中流体高速运动时，当阀门快速关闭(或泵突然停电)导致流体撞击阻挡件，将全部动能转化为压力波能而产生巨大的压力脉冲，且在低压侧可能发生空泡和空泡溃灭。

避免建议：尽量避免采用快关阀；尽量不要采用母管制(尤其是两个泵并联，每个泵出口设置止回阀)；优先选用有防倒转和惯性飞轮的泵。

类型7：空管充水水锤(弥合水锤)

泵停止后由于管线阀门已关闭，当管道高度差超过9 m，在泵出口管道可能形成真空。当泵重新启动时，流体迅速填充空管形成水锤。

避免建议：尽量避免一段封闭的管道高差超过9 m。

根据水锤的现场损坏情况，按管道和结构中损伤特征，又可将水锤分为压力波致水锤和有限长度水塞致水锤两类。

压力波致水锤是由于压缩波(流体减速，动能向压力能转化)或膨胀波(流体增速，压力能向动能转化)两者共同作用产生的现象。由于首个压缩波使得管道运动方向与波传播的方向相反，经常导致最主要的管道运动，膨胀波使得管道运动方向与波传播的方向相同，作用不明显。因此，压力波引起的管道运动总是指向水锤的源且产生的破坏力非常大，管道刮痕明显。压力波对管道部件造成的损伤更多的与系统中的压力边界损伤相关。给水管线的水锤则大多由压力波引起。由类型6诱发的水锤引起的损伤特征相似且都与压力波特征相关。

有限长度水塞致水锤是当蒸汽进入管道后被水塞阻挡，推动水塞高速运动，直到被阻挡而产生冲击力，对阻挡物造成严重损伤的现象。水塞引起的管道运动总是背离水锤的源且产生的破坏力通常远小于压力波，管道刮痕没有压力波的明显。水塞对管道部件造成的损伤更局限于水塞经过区域的局部变形。蒸汽管线中的水锤大多数是由水塞引起。类型1～5、7引起的管路及相关设备的变形具有独特性质与水塞波特征相关。

针对压力波和水塞水锤引起的不同部件的损伤特征比较如表1所示。

表1 压力波和水塞引起的部件损伤特征比较Table 1 Comparison of component damage characteristics caused by pressurewaves and water plugs

2 核电厂水锤的分布

据统计美国自1961年至1985年核电厂发生的水锤事故[1]，一、三回路均占9%，多数发生在二回路，占总水锤事故的78%，其中主蒸汽回路均占二回路水锤事故的40%，主给水回路约占二回路水锤事故的60%。

2.1 一回路水锤分析

核电厂一回路是密闭系统，管段极短，泵、阀启、闭和切换，破口等会引发水锤，导致管道振动，造成管道爆裂或设备破坏等严重事故。

一回路水锤常发生在反应堆冷却剂及辅助系统、安注系统、余热排出系统、核岛重要厂用水系统。常见位置有以下几种。

1)反应堆主冷却剂主回路主泵及隔离阀，易产生停泵及关阀水锤；

2)向反应堆主冷却剂系统相关设备提供冷却水的系统，易发生停泵或关阀水锤；

3)反应堆主冷却剂系统中设备或管线中出现排气不足，存在气穴，易导致产生空泡溃灭水锤；

4)反应堆主冷却剂系统孔板下游失压，易导致高温流进入低管线汽化引起的水锤；

5)稳压器安全/卸压阀的排放，易出现热水进入低压管线水锤；

6)如果安注系统与冷却剂系统的隔离阀和逆止阀关闭不严，高温压的冷却剂倒流进入安注系统，可能出现热水进入低压管线水锤；

7)从低压安注管线到一回路的管道内出现排气不足，存在气穴，安注系统动作时，压力升高，易产生空泡溃灭水锤；

8)在一回路高温高压水进入余热排出系统隔离阀意外开启时，易出现热水进入低压管线水锤；

9)核岛重要厂用水系统紧急停泵[2]时会造成水柱分离，易出现真空弥合水锤。

2.2 二回路水锤分析

二回路系统非常复杂，按功能和流程分为主给水回路和主蒸汽回路。水锤的形式多样，有蒸汽系统中的汽锤、给水系统中的水锤，还有蒸汽系统或冷凝水回收系统中涉及气液两相流的水锤，通常后者最复杂、发生的频率也最高，主要分为两种，一种是蒸汽主管内产生被蒸汽携带的高速冷凝水遇阻力件时产生猛烈撞击；另一种为蒸汽与冷凝水混合急速冷凝形成真空，随后管道内的冷凝水会被吸到这个真空的空间，形成水锤，这是一种非常难以解决且普遍存在的水锤形式，在冷凝水回收系统、蒸汽配送管道和用蒸汽设备中均普遍存在。

二回路水锤常发生在凝结水泵、低压给水加热器系统、主给水除氧器系统、主给水泵、高压给水加热器系统、辅助给水系统、主蒸汽系统、辅助蒸汽系统、汽机蒸汽和疏水系统和汽水分离再热器系统。常见位置有以下几种。

1)凝结水泵紧急停泵[3]时会造成水柱分离，易出现真空弥合水锤；

2)低压给水加热器系统紧急疏水阀打开向凝汽器疏水时，在疏水阀处形成栓塞，易形成蒸汽推动水塞水锤，如低压给水加热器壳侧排空，导致形成两相流，造成壳侧水锤；

3)低压加热器向除氧器供水，管道中如有空汽腔，易产生空泡溃灭水锤，如供水口位于除氧器上部，机组长期停机备用时，除氧器中蒸汽进入低压加热器管道，在起机时由于大量冷凝水供入，导致管道内蒸汽冷凝，产生空泡溃灭水锤；

4)高压加热器通过疏水管线进入除氧器管段的阀门处存在节流，易形成热水进入低压管线水锤，如疏水口位于除氧器上部且直接对空(除氧器内部形成两相流)，易形成水锤；

5)主给水泵紧急停泵[4]时会造成水柱分离，易出现真空弥合水锤；

6)当汽轮机停运、二回路向蒸汽发生器供水、除氧器保持热态时，由于重新启机除氧器水侧给水温度高于抽汽温度，导致抽汽无法冷凝，这部分高压抽汽将直接进入疏水管道，疏水管道内有局部段塞的残留水，此时疏水阀打开将产生蒸汽推动水塞水锤；

7)高压加热器排水管道中的U形弯，在停机时容易贮冷水，在启机时蒸汽与冷水接触，易形成蒸汽推动水塞水锤；

8)并网时高加液位读数波动，可能会导致应急疏水阀开启，应急疏水阀上游会由蒸汽冷凝形成饱和水，阀门打开，易出现热水进入低压管线水锤；

9)辅助给水系统管道中由于排气不足而存在气穴，易产生空泡溃灭水锤；

10)辅助给水通过阀门泄漏至凝结水管道，辅助给水在阀门处节流，流速增大，压力降低，给水中出现蒸汽泡，在进入凝结水管道后由于冷凝，易产生空泡溃灭水锤；

11)在事故工况下主蒸汽隔离阀极快速关闭，主汽管线可能产生冲击波(蒸汽锤)；

12)主蒸汽管线中存在积水，没有及时疏水，当遇到弯头或极快速关闭的主蒸汽隔离阀等阻力件时，产生猛烈的撞击，产生阀门快关水锤；

13)辅助蒸汽分配系统存在部分“U”形管段，由于疏水器堵塞存在冷凝水，再次供汽时，易发生蒸汽推动水塞水锤；

14)汽轮机蒸汽和疏水系统疏水至凝汽器管线，管线末端可能存在闪蒸，可能形成热水进入低压管路水锤；

15)汽轮机系统如启机前管道局部存在积水，汽门突然开启后，高、低压进汽管线可能形成蒸汽推动水锤；

16)汽轮机打闸跳机后，汽门快速关闭，高、低压进汽管线可能产生冲击波(蒸汽锤)；

17)汽轮机打闸跳机后，抽汽管线逆止阀关闭，下游可能出现闪蒸象，对逆止阀形成冲击波；

18)若疏水阀故障，高压排汽至汽水分离再热器管线内可能存在冷凝水聚集。机组启动瞬间，蒸汽推动聚集的冷凝水，可能形成蒸汽推动水塞水锤；

19)在瞬态工况，若疏水箱内处于排空状态，且汽水分离再热器疏水管线至疏水箱的疏水管水平段坡度存在异常，管段局部形成疏水聚集，管道的冷凝水在蒸汽带动下形成蒸汽推动水塞水锤；

20)汽水分离再热器系统应急疏水通往凝汽器，管线末端出现闪蒸，可能形成热水进入低压管路水锤。

2.3 三回路水锤分析

三回路管道中压力不太高，但流量大。凡是引起流量变化的原因就是发生水锤的起因，停泵水泵[5]极易产生水锤增压波和减压波，并以较大的速度向上下游传播，发生液柱分离和弥合水锤现象，造成危害很大的“断流空腔再弥合水锤”(简称真空弥合水锤)，影响管道的安全运行，是三回路供水系统中最具有危害性的一种水锤撞击波动。

三回路水锤常发生的情况为：由于事故断电、泵故障或人员操作失误导致的突然停泵。

3 水锤事故的分析策略及初步辨识步骤

3.1 水锤事故的分析策略

水锤分析可按照事故确认-现场核查-数据收集-过程/瞬态分析-结果复现-制定措施的策略顺序开展，流程如图1所示。

图1 水锤事故分析流程Fig.1 Water hammer accident analysis process

3.2 水锤的初步辨识步骤

水锤分析过程中，最重要的是识别水锤的源，从而获得特定部件的失效或事件的初始机理。最直接的方法是检查现场损坏情况。按管道和结构中损伤特征，又可将水锤分为压力波致水锤和水塞致水锤两类，并通过如下步骤初步辨识水锤的发生机理，如图2所示。

图2 水锤源的初步辨识步骤Fig.2 Preliminary identification steps for water hammer sources

通过检查刮痕和管道及支架变形可以确定管道运动的方向：压力波引起的管道运动总是指向水锤的源且管道刮痕明显；水塞引起的管道运动总是背离水锤的源且管道刮痕不明显。

通过检查部件变形情况可以确定是压力波还是水塞水锤：压力波对管道部件造成的损伤更多的与系统中的压力边界损伤相关；水塞对管道部件造成的损伤更局限于水塞经过区域的局部变形。针对压力波和水塞水锤引起的不同部件的损伤特征详细比较，如表1所示。

4 结论

核电厂管道系统中普遍存在水锤现象，严重水锤对管道系统本身及相关设备会造成不可逆转的破坏，导致核电厂的长时间停机停堆。本文对核电厂管道系统中的水锤形式、机理和易出现的部位进行了分析，给出了核电厂水锤常见类型、避免建议、发生部位和事故分析策略，对核电厂水锤事故的预防和问题处理有借鉴意义。