核電站常規島系統水錘現象分析

李躍　張海峰

【摘 要】本文分析秦山第二核電廠常規島系統管道閥門發生過的水錘現象，對常見的水錘現象進行了原理分析，為了限制水錘后果，提出改進建議。

【關鍵詞】水錘；常規島；振動

1 核電站常規島水錘

常規島的許多蒸汽系統如AHP、GSS、GCT、ADG、GPV、SIT、CVI等已發生過多起或大或小的水錘現象。這些水錘現象有的擊壞管線及其相關設備；有的引起安全閥的動作；有的使管線振動且發出很大的響聲，造成許多破壞性的缺陷，水錘造成許多漏點帶壓堵。按其發生的時期，可將這些水錘現象分為兩大類：第一類發生在機組啟動的時候（當蒸汽投運到冷態管線時）；第二類發生在機組正常運行時。

1.1 機組冷態啟動時的水錘

1.1.1 MSR A列二級再熱器到7A高加的掃氣管線水錘分析

MSR A列二級再熱器到7A高加的掃氣管線，在機組啟動時管線會振動并發出很響的水錘聲。從管線的結構上來講這根管線有一段幾十米長的接近水平的管道，當機組停運時很容易聚積一些過冷的凝結水（掃氣調節閥前無疏水管線）。當機組啟動時，在投運MSR二級加熱蒸汽時，其掃氣先是排往CEX系統，在對管束均熱后才轉而排向7A高加。在掃氣完全轉換完成前的這段時間里，此段管線極易發生冷凝水誘導水錘現象。

1.1.2 AHP5B高加到CEX001BA的緊急疏水管線水錘分析

在機組啟動時，AHP5B高加到CEX001BA的緊急疏水管線也發生過管道振動并發出很響的水錘聲。這是因為它也有一段比較長的管線，且AHP038VL有一點內漏。當機組剛停運時這段管線中充滿了過冷的凝結水，由于038VL漏量不大，它還沒有來得及將其管線中的水全部排空，這時機組啟動，漸漸的就有高溫疏水和蒸汽進入CEX高壓疏水擴容器，高壓疏水擴容器內的壓力逐漸升高，就會有一些蒸汽逆向經過038VL進入緊急疏水管線，這些被壓入的蒸汽泡就會在充有過冷凝結水的管線中發生蒸汽泡潰滅水錘，當停機或B列高加解列時，蒸汽也可能反向流到緊急疏水管線中，發生水錘現象，如圖1：

現038VL的內漏現象已經消除，但7A高加的緊急疏水閥也有類似的內漏現象，如不修好可能也會發生上述的這種水錘現象。

1.1.3 GCT-C第一組調節閥下游的部分引壓管線水錘分析

GCT-C第一組調節閥下游的部分引壓管線和測溫元件等，在機組冷態啟動時也因水錘現象被沖開，導致焊點斷裂、設備損壞、蒸汽大量外漏。由于GCT-C調節閥處于主蒸汽管路的末端，其結構特點（如圖2）極易在調節閥關閉的時候產生很多的冷凝水，這些冷凝水本應通過調閥的旁路疏水閥排向CEX，但此旁路閥一般只開很小的開度無法將疏水排凈，所以導致當調節閥開啟的時候汽水迅速混合，產生凝結水誘導水錘。

建議在投運蒸汽前將調節閥旁路疏水閥全開，排凈調節閥上游的冷凝水。

1.1.4 ADG101VV到ADG031VV之間的管線水錘分析

ADG101VV到ADG031VV之間的管線在新蒸汽投運時也發生過水錘現象，導致管路超壓安全閥106VV動作。該段管線（如圖3）處于管網的末端，其管路疏水閥210VL、044VL、045VL在新蒸汽投運前后一直處于關閉狀態，在ADG031VV、030VV均關閉的情況下，其管道內部極易聚積大量冷凝水。在101VV和031、030VV之間，由于蒸汽冷凝等原因，使其壓力下降小于減壓閥101VV調節定值101VV開啟，而這時101VV上游也會有許多積水因044、045VL的關閉而無法排出。當101VV一旦開啟汽水流就會迅速涌入下游管線，導致凝結水誘導水錘的發生，致使管路內部超壓安全閥106VV動作。

現已將030VV開了40%左右，使蒸汽不斷地流向除氧器，避免冷凝水的大量積聚。但還是建議做好101VV前后的排水工作。注：與此類似，SVA蒸汽管線的疏水站也沒有正確的投運，這些蒸汽管道中殘留的冷凝水，就是一個潛在的隱患很可能引起管道或除氣器傳熱管的破壞。

1.2 機組正常運行期間出現的水錘

1.2.1 高壓缸排汽口到CEX高壓疏水擴容器的疏水管線水錘分析

高壓缸排汽口到CEX高壓疏水擴容器的疏水管線，也因蒸汽驅動型水錘而致使管路破裂、蒸汽外漏。由于這段管路的拐角很多，且高壓缸排汽口的濕度很大。水滴夾在蒸汽中形成一個個水彈以蒸汽的速度前進，不斷擊打著拐角處的管壁，導致管壁被擊薄、擊穿（圖4）。

泄漏后曾將被擊穿的漏點用卡子堵住，大修期間進行了處理。建議加裝疏水器或改變這段管線多拐角的幾何形狀。

1.2.2 再如SIT取樣間的回水管線所發生的水錘分析

再如SIT取樣間的回水管線所發生的水錘現象。由于該段回水管線有很長的一段位于高處的水平管線，這樣在回水管的下端始終積有很多的冷凝水，這就決定了有發生水錘的潛在危險。而導致水錘發生的直接原因是有兩個VVP的取樣管線的排水閥內漏。蒸汽泡被壓入充滿水的管子里形成了蒸汽泡潰滅水錘。所發出的響聲就似錘子打擊管壁一般，大約每隔一到兩分種就會響一聲（圖5）。

現已將漏汽的閥門修好，水錘聲消失。

2 水錘的原理與對策

由于蒸汽管線的排水不良、保溫的不完全、蒸汽供應的不平衡等原因，都會造成管路中有凝結水及水膜的生成。這些凝結水積聚在管路底部，會產生水錘現象。水錘的產生不僅會發出很大的響聲，而且還會損壞管路的出口、疏水器、控制機構和管道本身。在蒸汽系統中發生的水錘有兩種：蒸汽驅動水錘和凝結水誘導水錘

2.1 蒸汽驅動水錘

凝結水上方快速流動的蒸汽導致水波的形成，蒸汽和水的相互作用，使水變成了一個個堅硬的水實體封住了管道，我們叫它“水彈”。水彈以蒸汽的速度前進，會以很大的力撞擊管路內的障礙物和它所遇到的第一個拐角的管壁。就像用錘子錘打一樣。

計算公式如下：

Pmax=ρv2

其中：“ρ”是流體的密度，“v”是水塞的速度。

2.2 蒸汽驅動水錘

在某些情況下也叫做“凝結水誘導水錘”。這是由于在一個完全充滿水的管子里產生或被壓入了一個汽泡，當汽泡被吸收了自身的熱量時，它就會坍塌，四周的水立即涌到了這里，會產生很大的壓強。

計算公式如下：

Pmax=ρvc

“c”表示聲音在水里的速度——大約1290米/秒。

2.3 管道結構上防止水錘產生

由冷凝水誘導產生的超壓水錘，能夠比蒸汽驅動水錘大10到100倍。在管道結構上防止水錘產生的主要措施有：

1）蒸汽管線從汽源到疏水站必須有一定的斜度。疏水站必須安裝在管線開始上升之前的最低處，蒸汽管道的末端，并且每隔100-160米安裝一個；

2）疏水必須安裝在蒸汽調節閥之前，以排出當閥門關閉時積聚的冷凝水；

3）蒸汽管線中應加裝帶用濾網和排污袋的“Y”形過濾器，來排除蒸汽中的水分，防止水錘的發生，如CET管線的Y過濾器；

4）所有蒸汽供應系統中的蒸汽調節器必須提供疏排水裝置。必須避免回水管的位置在疏水器的上方；

5）在停止供水后蒸汽容易彌漫的地方，盡快啟動其他的循環泵，消除蒸汽，如啟動ADG001PO。

冷凝水誘導水錘屬于冷凝事件，即“蒸汽泡快速潰滅水錘”。它發生在當蒸汽泡完全的被過冷的凝結水包圍的時候。由于蒸汽把它的熱釋放到周圍的凝結水和管壁中，從氣態改變為液態。由于液體只占有原氣態體積的幾百到千分之一（這取決于進入的蒸汽的壓力）。這樣，就在冷凝水中原蒸汽泡所占的空間形成了一個低壓空泡，周圍的冷凝水將猛沖進來充滿這個空間，冷凝水撞擊的結果將產生超壓并發出撞擊管壁的聲響。這個超壓后果嚴重。

影響冷凝水誘導水錘的因素有：

1）蒸汽的壓力；

2）冷凝水的過冷度；

3）空泡中的不凝結氣體；

4）空泡的大小。

如果蒸汽壓力很高，冷凝水是過冷的，沒有不凝結氣體，且空泡足夠大，這將會產生足夠的壓力擊壞鐵質的閥門，導致蒸汽泄漏，焊縫脹裂。

好的設計和操作的就要避免把高壓蒸汽和過多的冷凝水混和在一起，確保蒸汽總管疏水干凈，蒸汽不會進入回水管線。然而，當蒸汽通過疏水器進入冷凝水管線當中的時候水錘是會發生的，這時就會經常聽到猛烈的撞擊聲。

3 運行操作注意事項

針對常規島發生的水錘現象，常規島運行操作人員要注意以下幾點：

1）高壓蒸汽和過冷的凝結水相接觸就會是一個不穩定的和潛在的易爆混合物。

2）不可以讓蒸汽進入充滿過冷凝結水的管道。當蒸汽進入冷的管線時要一直保持警惕。

3）讓過冷的凝結水進入蒸汽充滿的管線要比讓蒸汽進入過冷的凝結水的管線還要危險。

4）帶壓力的蒸汽管線中充滿過冷凝結水，不要先嘗試排水，首先應關掉蒸汽，然后排水。如果已打開了疏水，發生水錘，則要的關掉它并把蒸汽放掉。管線中的水錘可能繼續發生直到蒸汽排盡。

5）在一個隔離的管道中過冷的凝結水和它上方的蒸汽將會處于休眠狀態。打開的入口蒸汽閥門或者打開一個排水閥將會觸發水錘事件。

4 結語

通過對水錘現象的分析，提醒生產運行人員、設計人員關注水錘現象的產生原理和破壞力，為了保護設備，保護人員安全，需要認真分析反饋現場的水錘問題，采取必要的補救措施和設計改造，從而保證機組設備的安全穩定運行。

[責任編輯：王楠]