探究核电厂调试期间管道振动测量

探究核电厂调试期间管道振动测量

冯驰

（福建福清核电有限公司福建省福清市350300）

摘要：根据美国机械工程师协会（ASME）规范要求，核电厂在预运行试验及初始启动试验（调试阶段）期间需对核级的管道进行振动测量。基于此；本文探究核电厂调试期间管道振动测量。

关键词：核电厂；调试；管道振动测量

一、工作流程探讨与改进

基于运行因素考虑，对反应堆冷却剂系统（RCP）管道应仔细评审，考虑到安全因素，还应对核电厂专设安全设施、一回路主要辅助系统以及放射性废物处理系统管道进行振动评价。各系统需进行振动评价的管系应包括核1、2、3级管系和损坏能使抗震Ⅰ类设备功能降低到不可接受水平的高能管系以及核电厂实际发现的过量振动管系。

管道振动归因于其受动载荷的激励，一般由机械振动和管内流体脉动压力引起，后者是管道振动的主要原因。机械振动与系统中机器或泵的振动有关，而管内流体脉动压力原因则更复杂，管道弯头、变径管、三通等都会引起压力脉动。ASMEOM-S/GPart3指出泵、阀和热交换器等敏感设备的振动会影响其可运行性和结构性能，故应仔细评审。基于此，在选择振动测点时应充分考虑关键设备进出口两端管线。选定关键设备后，应根据管道三维制作图及支架制作图选取振动测点。振动测点应选在管道最大位移点，通常该点也是最大速度点，但要考虑到施工过程中三维制作图和支架制作图可能存在变更，以及测点位置是否可达，要对测点进行现场核实。参照ASMEOM-S/G-2000Part3对管道稳态振动和瞬态振动各分成3个组进行测量。管道稳态振动和瞬态振动测量的验收准则有所差异，但鉴定程序基本一致。振动测量可与相应系统调试同步进行；在典型的试验工况或流量下进行振动测量，同时尽可能测量稀有工况或稀有流量下的振动。待管道流量稳定后进行信号采集，最大振动速度或位移从实测速度或位移时域信号中得到，记录讯号应确保有足够长的持续时间，以保证统计精度及得到该测点最大振动速度值。

大多数核级管道的最佳振动参数是速度，因为它是反映振动能量的参数。按照ASMEOM-S/G-2000Part3的规定，简化的速度评价标准公式为：

（1）

式中，Vallow为振动限值；C1为补偿管道特征跨上集中质量影响的修正系数；C2K2为ASME规范中定义的应力系数；C3为考虑管道内部介质和保温层质量的修正系数；C4为不同于固定端的端条件和不同于直跨的结构形式的修正系数；C5为考虑偏离共振的强迫振动的修正系数；SA为规定循环次数下的交变应力最大值；为许用应力减弱系数。

由于各管道在结构、介质、工况等诸多方面都不尽相同，因此管道振动的评价数值因管道而异。当测量的振动值小于许用限值时，管道可通过验收。对于振动超过许用限值的管道，应对其进行深层次的分析，并进一步采取精确验证方法进行相应的测量和评价。

二、管道振动测量

2.1振动测量设备

数据采集系统采用美国国家仪器公司（NI）的采集板卡及开发套件，由具有NI软件开发资质的人员进行DAQ系统的定制开发，采用分布式采集、集中存储与分析的设计，具有多通道、实时同步采集，可在现场高温、高湿工作环境下长期持续工作性能特点。加速度传感器采用Endevco公司的6233C-100型号加速度传感器。

2.2传感器安装

加速度传感器的安装方向应满足测点布置要求，传感器安装位置满足传感器工作环境要求。加速度传感器安装在预先机加工好的基座上，基座与管道紧密贴合通过钢扎带紧密连接，防止松动。在传感器后面连接高温低噪声线缆、电荷放大器，应注意线缆的最小回转半径，防止线缆打断造成信号丢失，电荷放大器固定在合适的位置，防止误碰造成连接松动问题。

2.3数据获取与评价

由于管道在不同的试验工况（主要是流量不同，即不同的工况对应不同的流量）下表现出不同的振动特性，所以为了全面的了解管道的振动特性，调试期间的管道振动测量必须涵盖机组正常运行期间所将经历的全部典型的工况。当系统达到对应试验工况时，待系统稳定后，启动DAQ数据采集系统进行数据采集，约60s后停运DAQ数据采集系统，将所得数据与1.75in进行对比，如果数值小于1.75in，则认为管道的振动符合要求。如果数值大于1.75in，则认定所测管道振动超标，需要进行进一步的故障诊断，提出合理的振动整改意见。待减震措施完成后，从新进行所选管道的振动测量，直至合格为止。

三、案例分析

3.1振动限值的计算

测点布置见图1。该管段材料为不锈钢，且无集中质量，依据ASME标准要求，C1值取1。C2K2取保守值为4。

（2）

式中，W是单位长管重量；WF是单位长管内介质重量；WINS是单位长管保温层重量。根据管道材料清单可知，该段管内流体为放射性地坑水，无保温层。因此WINS为0，WF为5.41kg/m，由式（2）计算得到C3为1.35。测点116-1所处管段为直跨，该处C4值取1；测点116-2所处管段结构复杂，该处C4值取最保守值0.7。

3.2振动分析与评价

由表1可知，测点116-2A向与H向振动超标，测点116-13个方向振动虽未超限值，但振动速度最大点位于测点116-1处竖直方向（V向），怀疑此处是激振点。在现场测量时发现，管道噪声很大，且伴随着明显“鞭炮声”。这种噪声由气泡破裂时高速冲蚀管壁产生，即管道内发生了汽蚀现象。为了验证这一结论，对测点116-1进行简单的加速度频谱分析发现，管道振动的优势频率主要以高频信号为主，而且频率成分特别丰富，这点符合管道发生汽蚀的特点。同时，现场测量了1EAS002EJ喷射器法兰出口处的流速，约为7～8m/s，流体流速较快。根据伯努利定律，管道内流速大的位置压力低，容易产生气泡（或者从喷射器出来的流体本身含有气泡），气泡随着流体一起朝下游管道流动时，流速很快减小直至稳定，流体压力增大，气泡破裂，产生汽蚀。这些都说明了1EAS002EJ出口管线上发生了汽蚀现象，这是管道振动大的主要原因。

结语

在充分汲取ASMEOM-S/G-2000Part3标准要求与参考电厂经验反馈的基础上，通过对核电厂调试期间核级管道振动测量工作进行探讨与改进，能够有效预测系统中可能出现的过量振动，全面检测出工艺系统的薄弱点。在前期就选择关键设备作为关注对象，更有利于管道振动故障的快速诊断，从而为核电厂运行后各工艺系统振动监控提供良好基础。

参考文献：

[1]ASMEOM-S/G—2000PART3核电站管道系统试运行及启动过程中的振动测试要求[S].

[2]何超，袁少波，喻丹萍.核电厂管系振动评定方法分析[J].核动力工程，2011.