摘要：核电厂内存在大量仪表管线，负责监测温度、压力、流量等机组重要状态信息。其中蒸发器流量控制系统（简称ARE系统）管线信号，直接影响着反应堆及汽轮机运行状态。如果此类型的重要仪表管线发生疲劳断裂，将引起机组非计划的跳机停堆。到目前，已有多个核电厂发生过类似仪表管振动断裂导致机组降功率停堆事件。基于此，本文主要对核电厂蒸发器流量控制管线振动故障治理进行分析探讨。
关键词：蒸发器流量控制系统；ARE系统；振动治理
1、蒸发器流量控制系统设备及管线布置
1.1蒸发器流量控制系统给水联箱
给水母管上的进口和出口位置布置成能保证给水在输送到调节站前其温度得到均匀混合。给水母管上还有一些附加接管，用于在停运期间的化学取样和疏水。另外母管上设有一根支管，以提供给水到凝汽器的再循环，用于系统的清洗。给水联箱有短管接头，可接受来自高压加热器及其旁路的给水，给水联箱上还有一个使给水通往凝汽器进行管道冲洗的短管接头。联箱的出口通往给水调节站。联箱进口和出口位置的安排能保证在给水向给水调节站输送以前其温度得到均匀的混合。在联箱上还有一些在停运时需要以及用于给水化学取样和用于放水的附加接头。
1.2蒸发器流量控制系统给水调节站
三台蒸汽发生器的每条给水管线上设有一个给水调节站，每个给水调节站由一个主给水调节阀和一个旁路调节阀组成，在各调节阀的两侧都设有电动隔离阀，隔离阀上均装有旁路阀。给水联箱的出水送往 3 个给水调节站。每个给水调节站由一个承担90%容量的绐水主调节阀和一个承担15%容量的旁路调节阀组成。在各调节阀的两侧都设有隔离阀。主给水调节阀的隔离阀设有电动旁路阀，旁路调节阀的隔离阀设有手动旁路阀。所有调节阀上游的隔离阀及其电动旁路阀都能在最大流量和压力下30秒内（暂定）关闭，下游隔离阀及其电动旁路阀能在最大流量和压力下20秒内（暂定）关闭。
1.3蒸发器流量控制系统给水流量测量
在每条给水管线的给水调节站下游装有一个流量孔板(ARE009KD、ARE010KD、ARE011KD)，其测量信号用于蒸汽发生器水位控制及相应的反应堆保护通道等。此外还装有一个试验孔板(ARE101KD、ARE102KD、ARE103KD)，用于电站启动期间和性能试验时标定和校核有关的仪表。给水管道系统由三根管道组成，每根管线在给水调节站的下游都装有一个测流量的文丘里元件以控制通往蒸汽发生器的流量。在给水调节站的后面有一个孔板，用于ARE性能试验时的流量测定。在系统的高点还设有放气点，使系统在需要时可正常放气。另外设有放水点，使系统能放水。放气管道和放水管道均通往SEK系统并串联装设两个手动隔离阀。
2、蒸发器流量控制系统仪表管线振动危害及治理原理分析
2.1仪表管线振动危害
核电厂管道振动问题是一个非常复杂的涉及多方面因素的问题，其影响因素较多，我们将引起振动的力称之为激振力，根据激振力的来源，可以将其归纳为机械振动、流体振动、地震等几种类型，其中以流体不稳定流动引起的振动为主。具体引起原因可有以下几种：两相流介质不稳定流动引起管道振动，水锤引起管道冲击振动，介质涡流引起管道振动等。振动对管道的危害很大，它将加速材料的疲劳损坏，大大缩短材料的使用寿命，并容易引发管道焊接处的破坏失效，主要表现为：
（1）它将加速材料的疲劳损坏，大大缩短材料的使用寿命，并容易引发管道焊接接头的破坏失效，引发灾难性事故；
（2）损坏管道阀门，管道阀门元件容易振松，导致控制失灵或泄漏，甚至导致停机；
（3）振动容易损坏管道上的测量小管，导致测量失灵及控制系统误动作；
（4）管道振动容易造成支吊架的损坏，造成连锁失效反应，导致管道下沉、变形等恶性事故的发生；
（5）引起管道保温的破损；
（6）管道的摆动或振动以及振动噪音给人们以不舒服或不安全的感觉。
2.2仪表管线振动治理原理
管系的固有频率与系统的刚度有直接关系，刚度越大，固有频率越高，管系的固有频率的调整主要通过调整系统刚度来完成。通常先分析管系的固有频率，通过调整管道系统的固有频率避开激振频率，从而避开共振。影响管系刚度的主要因素有管道走向、管径、壁厚和管道支撑状况。减少弯头的个数、增大管径和壁厚、增设支架都能够使管系的刚度增大。在大多数情况下，管径、壁厚不容易改变，主要调整管道走向和管道支撑，而这两者中更常用的是通过增减支架来调整管系的固有频率，使管道低阶固有频率避开激振频率。然而，激振力频带较宽，提高管系固有频率后，仍然可能与高阶激振频率相接近，这就是管道刚度较大、介质流速较高、两相流管道振动治理难度较大的原因。另外，管道振动治理时，在确保振动治理效果的同时，还必须保证管道热应力（管道二次应力）合格。
管道振动的危害主要表现在管道的振动位移幅度上，这是因为振动位移幅度与振动在管道上产生的动应力直接相关、呈正比关系。在扰动频率频带很宽的前提下，系统刚度越小，一般其响应的振动位移幅度越大。管系的振动治理可从改善汽流流场和改善管系振动固有特性两方面入手，而改善管系的振动固有特性是较易于实施和奏效的。改善电厂汽水管道固有振动特性的主要方法是通过增加管道约束，提高管道刚度的方法来实现。
3、蒸发器流量控制系统仪表管线振动治理方案
蒸发器流量控制系统将高压加热器系统与核电厂核岛连接起来，由常规岛给水调节站控制向每个核岛蒸汽发生器供水，给水调节站与核岛之间由三路管道相连，每路管道上设置一个流量测量孔板来控制到蒸汽发生器的流量。主给水流量控制系统主要由给水母管和三个给水调节站及孔板等组成。来自主给水泵的给水经高压加热器加热送入一根给水母管，从给水母管再分配到三个给水调节站，最终送到三台蒸汽发生器的给水环管。
通过对蒸发器流量控制系统（ARE）压力表管振动测量及现场观察，发现管道振动较明显主要原因是仪表管管径小，现场管线较长，整体管线刚度小，需要增加支架来提高管线的刚度，达到降低管道振动的目的。提高仪表管线与蒸发器流量控制系统主管道的连接刚度，增加槽钢支撑并安装合适支吊架，具体为蒸发器流量控制系统压力表管上增加3对6组支架，位置及支吊架类型如图2所示：
图1蒸发器流量控制系统仪表管线刚度加强位置及类型
蒸发器流量控制系统仪表管线支架如果直接生根地面，一旦发生剧烈工况变化引起的管线晃动，有可能引起危害更强的二次伤害，严重时甚至直接拉断仪表管线，所以仪表管线的连接需采用合适的支吊架生根于主管道。上图方案设计各部件焊缝均采用满焊，具体焊缝高度、焊接参数、焊条选择等按照国家焊接相关标准执行。部件1为双孔管夹，部件2为竖梁，部件3为短管卡，部件4为横梁，其中部件3短管卡与仪表管线之间加垫不锈钢皮，部件具体参数、数量及材料见表1所示：
表1 方案中部件型号及数量材料说明
以上选型参照华东电力设计院《火力发电厂汽水管道支吊架设计手册》选取，所需要膨胀螺栓、管夹及其它配件要求标明其规格及型号，并分类包装，以便现场施工核对。没有标明尺寸或加工图的，均应按照标准的规定进行加工。方案中所需要的辅助材料如表2所示：
表2.方案中辅助材料说明
4、结语
本文采用增加蒸发器流量控制系统主管道与仪表管线连接刚度的方法，基于结构动力学知识，制定了核电厂重要仪表管线的振动治理改进措施。治理结束测试结果与预期吻合完好，实际减振效果比较明显，后期未发生振动高现象，表明本文所采用的技术方法及引入结构动力学理论可以有效解决此类问题。
参考文献：
［1］袁少波，喻丹萍，周正平，等.田湾核电站管道振动问题处理［J］.核动力工程，2012（6）：8-10.
论文作者:董波1,郑东佳2,何明圆3,杨凯4
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：管道论文; 管线论文; 蒸发器论文; 流量论文; 刚度论文; 控制系统论文; 仪表论文; 《电力设备》2018年第19期论文;