核电厂管道振动原因分析及对策

黄翠军

摘要：管道系统是核电站的重要组成部分，对核能发电有着非常直接的影响，而管道振动则是一直以来引发管道疲劳损坏等一系列事故、阻碍核电站正常运行的重要问题。为此，本文从流体脉动、水锤冲击、自然因素、人为因素等多个角度入手，对核电厂管道振动的主要原因进行了分析，并在此基础上提出了一些较为可行的应对策略。

关键词：核电厂；管道振动；设备

引言：

随着社会经济的不断发展与人民生活水平的逐渐提高，我国社会电力需求以及供电压力都变得越来越大，在这一背景下，核能作为当前最为重要的清洁能源开始的得到了广泛重视，而我国的核电站应用范围也在不断扩大之中。然而由于管道振动等一系列问题的影响，核电厂的正常运行却一直存在着很大的限制，因此，如何有效解决管道振动问题也就成为了当前核电厂所面临的巨大挑战。

一、核电厂管道振动的主要原因

（一）流体脉动

流体脉动简单来说就是管道内流体因速度或压力不稳定而形成的呈周期性变化的流动状态。在核电厂中，管道通常需要通过泵进行间歇性的加压才能够完成对流体的输送，而这样不稳定的压力自然就很容易使管道内出现脉动状态，进而会对管道产生激荡力，造成管道的振动。这样的管道振动幅度并不，也基本不会对管道造成影响，但由于管道会经过调节阀、稳压器、热交换器等设备，因此一旦管道内流体在脉动状态下流经这些部分的管道，就很容易使这些设备的内部结构出现振动损伤或引发振动疲劳破坏事故，影响核电厂的正常工作。

（二）水锤冲击

水錘冲击又被成为水锤现象，实际上只是一种形象的说法，通常指给水泵在启动和停止时，因水流冲击而在管道中产生的一种严重水击，通常可分为启动水锤、关阀水锤以及停泵水锤几种[1]。在核电厂中，水锤冲击现象是十分常见的，由于管道内水体流动是由管道阀门与水泵控制，因此一旦水泵、管道阀门突然开启或关闭，水体的流速就会在短时间内出现巨大变化，在加上管道的内壁比较光滑，因此水流就会在惯性的作用下产生巨大的压力，进而产生破坏作用。而除了最直接的冲击破坏意外，水压也会在管道内形成周期性传递衰减的膨胀波或是压缩波，而这种膨胀波或压缩波则会直接引起管道的振动，长期下来，就极有可能给核电厂带来意外停电、机械故障等事故。

（三）旋转设备振动

核电厂中对旋转设备的使用是非常普遍的，如风机、发电机、汽轮机、水泵等都属于旋转设备中的一种，这些设备在运行过程中，内部部件通常会进行快速的旋转，这样一来旋转设备自然也就会出现不同程度的振动。在大多数的情况下，旋转设备的振动都会限制在一定程度之内，并不会对管道或其他设备造成太大的影响，但如果出现设备轴承磨损、质量偏心、设备所用材料不均匀、制造过程中存在误差或是地面、楼面刚度不足等情况，就很容易导致旋转设备直接出现振动超标或是因重心偏离轴线而导致的振动超标，进而导致管道的振动疲劳开裂。

（四）气液两相流动

气液两相流动是多相混合物流动的一种形式，主要是指气体、液体两种不同流动介质在同一流动体系中的一种流动现象，通常存在于管道系统之中。由于这种流动现象的流动形态比较复杂、密度差异也比较大，因此一旦流体体系中的流体在速度或方向上出现变化，就会直接导致管道系统的振动[2]。而在核电厂中，这种现象同样是非常普遍的，如动力系统管道、物料输送管道等都很容易出现企业两项流动的现象，而一旦管道中的流体与外界出现热交换，管道中的气液比就会在热胀冷松的影响下发生变化，进而使局部流体对管道造成冲击，导致管道振动，此外，如果管道经过其他设备或元件，同样很可能因管道压力变化而出现局部管道得流动冲击并导致管道振动。

（五）节流气板过度节流

节流气板是核电厂管道系统中的重要部分，其主要功能是通过增加系统阻力的方式来限制管道内流体的流速，能够对管道系统的正常运行起到非常大的帮助，但由于目前我国在管道系统节流气板的设计上仍不够成熟，而节流气板对于参数的要求又比较精细，因此在设计中常常会出现一些计算误差。这些误差会直接导致节流气板的过度节流，并在节流气板的下游造成气蚀现象。而在气蚀现象产生的冲击力作用下，节流气板下游的材料会发生疲劳脱落，使节流气板表面出现小凹坑，进而发展成大面积的凹坑甚至是孔洞。同时，除了冲击力直接造成的疲劳破坏，气蚀现象所产生的冲击力还也使管道在冲击下出现振动现象，

（六）自然因素

自然因素主要是指一些外界自然现象或是自然灾害对管道造成影响并导致管道振动。例如当出现大风天气时，由于核电厂管道系统有很大一部分处于室外，因此在空气横流经过管道的外表面时，尾流就会在管道的阻碍下出现不对称旋涡，而管道在这种不对称旋涡的影响下，自然也就会出现振动现象[3]。此外在发生地震时，由于管道系统本身的质量与体积均比较小，内部流体管道本身的密度差异又比较大，因此就会在地震的影响下出现不同程度的振动，而一旦因地震导致管道支架或周围其他设施的坍塌损坏，管道则会在应力的影响下出现更大程度的振动。

（七）其他人为因素

核电厂的管道系统比较复杂，规模也比较大，无论是安装施工还是前期的设计工作都具有着一定的难度，而一旦在这些过程中出现施工操作失误或是存在设计不合理之处，同样很可能导致管道的振动。如核电厂管道系统的支架大多为导向支架，这些支架虽然与管道会存在几毫米的缝隙，但却仍然可以起到很好的振动传递效果，因此一旦因设备或其他外界因素而使管道支架产生振动，振动就会迅速通过支架传递给整个管道系统，进而造成管道的振动疲劳损伤，而如果支架存在摆放位置错误、支撑不牢固等问题，这一振动还会进一步扩大，对管道造成更大的影响。这些人为因素虽然与气锤冲击、旋转设备振动等因素相比发生概率比较低，但情况却十分复杂，可能造成的危害也是非常严重的。

二、核电厂管道振动问题的应对策略

核电厂管道振动问题的原因十分复杂，因此对于这类问题的应对策略也是多种多样的，必须要从管道系统的全生命周期入手，采取多样化且具有针对性的手段，才能够实现对这一问题的有效控制。首先在管道系统的设计阶段，要在管道线路的选择与布置上尽量减少与其他设备的接触以及气柱谐振，从而降低流体脉动的影响。同时在节流气板的设计上则要采取多级节流气板的设计，并对调节阀等部件进行改进，从而避免过度节流现象的发生。其次，在管道系统的施工过程中，要规范施工操作，保证设备、管道的性能与质量，避免因元件、设备选择错误或是安装不合理而导致管道振动。最后在管道系统的使用阶段，核电厂还要做好管道振动的各种防护措施，例如针对水锤冲击现象，可以采取补气稳压、泄水降压等方式来控制水泵、管道阀门开关时的水压，进而避免出现水锤效应。而通过增加支架与阻尼器、安装减震器等手段则同样能够对旋转设备振动、水锤冲击、气液两相流动等难以完全避免的问题进行有效缓解或控制。此外，在设备采购、核电厂建设等方面，同样与管道振动有着直接的联系，例如在采购旋转设备时，如果能够保证设备质量，因旋转设备振动而导致的管道振动就会大大减少，而通过合理的选址与布局设计，则能够尽可能避免风力、地震对管道造成影响。

结束语：

总而言之，核电厂的管道振动问题十分复杂，导致管道振动的原因也是多种多样的，要想对这些问题进行有效解决，不仅要对其可能存在的各类原因进行明确了解，同时还要在管道设计、安装施工、使用等各个阶段的细节加以注意，做好管道振动的预防工作，并掌握合理的处理应对措施，从而将管道振动的影响降到最低，尽可能避免管道振动疲劳损坏事故的发生。

参考文献：

[1]胡娜.压水堆核电厂常规岛管道振动分析及处理[J].河南科技，2017（23）：118-119.

[2]王东志，王金龙，刘红永.核电厂消防水泵管道振动问题分析及应对措施研究[J].给水排水，2017，53（S2）：92-94.

[3]戴贤源，赵贺.核电厂管道振动问题诊断及处理[J].科技视界，2017（03）：227.