魏邦華,陳錦裕

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350300)

輔助給水汽動泵ASG003/004PO是核島重要輔機，是專設(shè)的核安全設(shè)備。該泵組主要功能在事故工況下向蒸發(fā)器供水，以便排出余熱和冷卻一回路系統(tǒng)，從而使機組轉(zhuǎn)入到余熱排出系統(tǒng)投入運行的冷停堆狀態(tài)[1]，該泵由汽輪機驅(qū)動，汽輪機與泵共軸并在同一個鑄造殼體內(nèi)。汽輪機為單列調(diào)節(jié)級、背壓式。該泵組用于緊急情況下向蒸發(fā)器供水，保證一回路冷卻。該泵采用100%冗余配置，正常狀態(tài)是兩臺泵均處于備用狀態(tài)，事故情況下啟動一臺輔助給水汽動泵即可滿足蒸發(fā)器冷卻及堆芯余熱排出，如該泵故障不可用則會觸發(fā)第一組IO。根據(jù)運行技術(shù)規(guī)范若輔助給水汽動泵不可用將會產(chǎn)生第一組IO，檢修必須在3天內(nèi)完成。

1 輔助給水汽動泵主要技術(shù)指標

輔助給水汽動泵涉及反應(yīng)堆的安全，因此對輔助給水汽動泵技術(shù)指標要求非常高，一般百萬千瓦等級核電站均配套兩組(ASG003PO/004PO)獨立的輔助給水汽動泵組，在主給水泵不能用時，任意一臺輔助給水汽動泵啟動均能夠向二回路蒸發(fā)器提供足夠的給水流量，將反應(yīng)堆維持在冷停堆狀態(tài)，確保反應(yīng)堆安全[2]。輔助給水汽動泵在核電站中非常重要，在設(shè)計上對輔助給水汽動泵組的技術(shù)指標有非常嚴格的要求，在輔助給水汽動泵招標的采購技術(shù)規(guī)格書中已明確供應(yīng)商所提供的輔助給水汽動泵設(shè)備應(yīng)滿足RCC、ASME等標準要求，具體如下：

1)25 s內(nèi)啟動并達到額定轉(zhuǎn)速及額定流量[3]。

2)首臺泵應(yīng)進行200 h的耐久試驗，50次啟停試驗不允許有一次失敗，50次變流量試驗[3]。

3)輔助給水汽動泵組安全等級為核三級；設(shè)備制造法規(guī)及等級為RCCM2[4]。

4)輔助給水汽動泵設(shè)備抗震等級為抗震1A類，即這些設(shè)備在所有地震條件下不僅能保證結(jié)構(gòu)完整，還要能持續(xù)可靠運行[4]。

2 某核電站4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動情況簡介

2.1 某核電站4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道布置描述

某核電站4ASG004PO汽輪機入口蒸汽取自從汽水分離器4ASG003ZE中的分離后的飽和蒸汽，汽水分離器4ASG001ZE及4ASG003ZE中的蒸汽均來自于3臺蒸發(fā)器上部主蒸汽母管，4ASG001ZE為4ASG003PO提供主蒸汽，4ASG003ZE為4ASG004PO提供主蒸汽。

在汽水分離器4ASG001ZE及4ASG003ZE底部均設(shè)計有疏水排放管道，疏水分別排到下游的4ASG002ZE及4ASG004ZE。4ASG003ZE疏水管道及4ASG003ZE與4ASG004PO間的蒸汽管道示意圖詳見圖1所示，正常情況下疏水通過疏水器排至下游分離器4ASG004ZE分離后回收利用，若疏水器故障可手動打開旁路閥通過旁路疏水。

圖1 汽水分離器4ASG004PO蒸汽及疏水管道示意圖Fig.1 The schematic of steam and dewatering pipe for vapour-water separator of 4ASG004PO

2.2 該電站4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動特點

在4ASG004PO汽輪機及泵組在解體大修后，進行了性能試驗，試驗時出現(xiàn)了汽輪機入口管道強烈振動問題，經(jīng)多次啟機試驗發(fā)現(xiàn)該振動有如下特征：

(1)管道振動不是每次啟動均出現(xiàn)

現(xiàn)場進行了35次啟動試驗，其中8次出現(xiàn)了蒸汽入口管道振動，出現(xiàn)振動時可見管道保溫層因振動而脫落，振動非常劇烈。

(2)振動時有異音

當管道出現(xiàn)振動時，可聽見明顯異音頻，振動聲音比較沉悶，類似管道帶動支撐與支架發(fā)生擠壓的聲音。

(3)振動頻率

現(xiàn)場布置測點有專門振動測量儀表對該管道進行了振動測量，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)管道振動時的振動頻率為77 Hz，與泵運行時的轉(zhuǎn)頻不呈倍數(shù)關(guān)系，振動速度達到203 mm/s。

(4)管道發(fā)生振動時汽輪機噴嘴箱前壓力表4ASG003LP表針波動劇烈

當汽輪機入口蒸汽管道發(fā)生振動時，觀察發(fā)現(xiàn)汽輪機噴嘴箱前壓力表4ASG003LP表針波動劇烈，汽輪機入口蒸汽管道不出現(xiàn)振動時，汽輪機噴嘴箱前壓力表未出現(xiàn)波動，壓力顯示正常。

(5)有時出現(xiàn)電超速跳泵且泵組的惰轉(zhuǎn)時間異常

在35次啟泵過程中其中有4次出現(xiàn)電超速跳泵，且跳泵后泵組的惰轉(zhuǎn)時間明顯異常，最長惰轉(zhuǎn)時間達到234 s，是正常惰轉(zhuǎn)時間的10倍。

(6)泵組轉(zhuǎn)速有異常波動

啟動后1～2 min，泵組的轉(zhuǎn)速會發(fā)生一次瞬間波動，隨后泵組的轉(zhuǎn)速趨于正常。

(7)疏水旁路閥狀態(tài)與管道發(fā)生振動有一定的相關(guān)性

4ASG003ZE汽水分離器通過正常疏水管道疏水時，有時會發(fā)生4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動高的情況，初步分析認為疏水器的疏水能力不夠，因此要求運行部門微開疏水器的旁路閥，微開疏水器的旁路閥后進行了幾次驗證均未出現(xiàn)管道振動。據(jù)此分析認為疏水管存在疏水不暢問題，后續(xù)試驗時為了保證疏水順暢，全開了疏水旁路閥，經(jīng)驗證全開疏水旁路閥，4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道有時也會出現(xiàn)振動，特別是在關(guān)小泵的出口流量調(diào)節(jié)閥時，特別容易產(chǎn)生汽輪機的入口蒸汽管道出現(xiàn)較強的振動。

(8)管道發(fā)生振動時汽水分離器4ASG003ZE入口母管蒸汽壓力不穩(wěn)定

對汽水分離器4ASG003ZE入口母管蒸汽壓力測點4ASG018MP進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)汽輪機入口蒸汽管道發(fā)生振動時汽水分離器4ASG003ZE入口母管蒸汽壓力4ASG018MP有較大波動，啟動泵組汽輪機入口蒸汽管道未發(fā)生振動時4ASG003ZE入口母管蒸汽壓力4ASG018MP有非常穩(wěn)定，具體詳見圖2、圖3所示。

圖2 管道振動時汽水分離器入口蒸汽母管壓力Fig.2 The inlet steam pipe pressure of vapour-water separator during pipe vibration

圖3 管道不振時汽水分離器入口蒸汽母管壓力Fig.3 The inlet steam pipe pressure of vapour-water separator during pipe not vibration

3 該核電站4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動高原因分析

造成4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動產(chǎn)生的可能原因較多，可能原因主要有汽液二相流振動、氣柱共振、支吊架布置不合理、泵側(cè)因素影響、管道共振等方面原因均可造成汽輪機入口蒸汽管道振動，4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動到底是何種原因造成的還需仔細排查分析。

3.1 汽水分離器4ASG003ZE與4ASG004PO間蒸汽管道及疏水管布置圖分析

汽水分離器4ASG003ZE與4ASG004PO間蒸汽管道上并列布置兩個氣動隔離閥4ASG237VV/238VV，該閥后未設(shè)計疏水管道，該蒸汽管道設(shè)計時通過管道坡度進行疏水，即4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道的水平管段均向汽水分離器4ASG003ZE留有坡度，在4ASG003ZE底部設(shè)計有疏水管道，所有疏水均是從此排出。因此若該疏水管道疏水不暢非常有可能造成汽輪機的入口蒸汽管道帶有疏水，導致蒸汽品質(zhì)下降，蒸汽管道內(nèi)出現(xiàn)汽、液二相流工況，而二相流在管道中流動時，當系統(tǒng)壓力發(fā)生變化，會出現(xiàn)汽、液二相間的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生管道振動。

3.2 汽輪機入口蒸汽管道振動可能原因分析表

為了排查故障，列出導致4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動可能原因如表1所示。

表1 汽輪機入口蒸汽管道振動可能原因分析表

3.3 汽輪機入口蒸汽管道振動初步原因分析

從4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動特點分析汽、液二相流導致管道振動的可能性較大。主要原因初步歸納如下：

1)管道振動時，汽輪機噴嘴前壓力表表針劇烈波動，這一現(xiàn)象是典型的汽、液二相流產(chǎn)生的振動特征。

2)每次啟動后1～2 min均會出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)速波動，該現(xiàn)象符合蒸汽中含疏水的故障特征。

3)電超速跳泵時泵組惰轉(zhuǎn)時間非常長據(jù)此初步分析可能蒸汽管中含疏水，該疏水流動到汽輪機的進汽調(diào)節(jié)閥后，因調(diào)閥的節(jié)流降壓，汽輪機噴嘴前的蒸汽壓力較調(diào)閥前的蒸汽壓力要低，壓力降低的情況下，飽和水會發(fā)生汽化形成蒸汽推動汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，因此造成泵組的惰轉(zhuǎn)時間非常長。

4)當管道內(nèi)存在汽、液二相流時容易產(chǎn)生振動，但并不是一定發(fā)生振動，只有當壓力發(fā)生變化，汽、液二相間進行轉(zhuǎn)化時才會發(fā)生振動。在關(guān)小泵出口流量調(diào)節(jié)閥時，汽輪機的入口蒸汽調(diào)節(jié)閥也會自動關(guān)小，汽輪機進汽調(diào)節(jié)閥前蒸汽管道內(nèi)的壓力會升高，此時管道中的二相流所含有的水泡會破裂，產(chǎn)生噪音，水泡破裂后周圍的高壓水、汽快速填補破裂區(qū)，產(chǎn)生水錘導致管道振動。

5)管道共振、泵側(cè)因素影響、氣柱共振以及支吊架布置方面的原因產(chǎn)生的振動，不會出現(xiàn)管道有時振動，有時不振的現(xiàn)象，且也不會出現(xiàn)汽輪機電超速跳泵后惰轉(zhuǎn)時間異常的問題。

4 該核電站4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動高原因排查

4.1 管道支吊架布置方面排查

管道發(fā)生振動時，蒸汽管道入口振幅達到203 mm/s，頻繁為77 Hz，是正常運行時的34倍。泵3 000 r/min時的頻率是50 Hz，8 000 r/min是133.3 Hz，由此判斷蒸汽管線振動不是泵振動引起的，初步檢查管道系統(tǒng)支吊架發(fā)現(xiàn)有三處支吊架間隙超標，現(xiàn)場已按設(shè)計圖紙進行了調(diào)整，支吊架調(diào)整情況如表2所示。

表2 管道支吊架間隙調(diào)整記錄表Table 2 The adjusting record of pipe support gap

經(jīng)對比該泵入口管道自身歷史運行狀態(tài)，在本次401大修前，第一個運行循環(huán)內(nèi)均沒有發(fā)生管道振動異常問題，僅401大修后出現(xiàn)該問題，401大修期間未對管道改動。且支架間隙調(diào)整后起泵驗證汽輪機入口蒸汽管道也會出現(xiàn)強強烈振動，據(jù)此排除了支吊架布置方面的原因?qū)е?ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動。

4.2 氣柱共振排查

氣柱共振的原理是空氣柱(或蒸汽柱)的固有頻率與驅(qū)動的動力機械的工作頻率或葉片數(shù)的倍頻相同或接近時，氣柱產(chǎn)生共振，進而使管道出現(xiàn)振動，氣柱共振現(xiàn)象常見于氣壓機或空壓機系統(tǒng)[5]?，F(xiàn)場測得4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動頻率為77 Hz，若蒸汽柱的固有頻率是77 Hz，現(xiàn)場測得的所有管道、設(shè)備的固有頻率均與77 Hz沒有倍數(shù)關(guān)系，況且4ASG004PO汽輪機入口蒸汽并非是由動力機械驅(qū)動，而是蒸發(fā)器產(chǎn)生，另外若是氣柱共振導致管道振動，應(yīng)該每次啟動泵組均會產(chǎn)生振動，而現(xiàn)場管道振動現(xiàn)象是有時振動、有時不振動，故4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動是氣柱共振導致的振動也被排除。

4.3 管道共振排查

共振是當系統(tǒng)的固有頻率與激振力的頻率相近或相等時，系統(tǒng)出現(xiàn)強烈振動的的物理現(xiàn)象[6]。4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道251管段及252管段的低階固有頻率進行了測量，測得低階固有頻率結(jié)果如表3所示。

表3 汽輪機入口蒸汽管道固有頻率測量記錄表

從測得的固有頻率初步分析，與管道的振動頻率77 Hz沒有明顯的相關(guān)性，而泵組的轉(zhuǎn)運頻率133 Hz，與管道振動頻率77 Hz存在明顯偏離，基本可排除該振動是管道共振因素導致的。

4.4 泵側(cè)因素影響排查

檢查了泵入口閥，泵入口閥已全開且泵入口壓力正常，不存在因泵入口閥未全開導致泵的汽蝕從而影響汽輪機入口蒸汽管道的振動，泵組運行過程無論是汽輪機入口蒸汽管道振動或是不振動泵的出口壓力基本穩(wěn)定，泵組的流量及揚程符合泵的流量特性曲線，基本上可以排除泵側(cè)因素的影響造成汽輪機入口蒸汽管道振動。

4.5 汽液二相流排查

正常情況下4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道中應(yīng)為飽和蒸汽，若要形成汽、液二相流則必然要有水，為了排查蒸汽管道中水的來源，主要進行了以下排查：

(1)汽水分離器4ASG003ZE底部疏水管道疏水能力排查

在4ASG004PO、4ASG003PO均處于備用狀態(tài)下分別打開汽水分離器4ASG003ZE、4ASG001ZE底部的正常疏水閥，測量疏水排放口收集池的溫升情況，測量記錄詳見表4所示。

表4 4ASG003ZE與4ASG001ZE疏水管疏水能力對比表

從測量結(jié)果比較，4ASG004PO對應(yīng)的汽水分離器4ASG003ZE底部正常疏水能力明顯弱于4ASG003PO對應(yīng)的汽水分離器4ASG001ZE的正常疏水，初步判斷4ASG003ZE的正常疏水管道上的疏水器可能有問題，決定將該疏水器進行更換，換上新疏水器后起泵驗證4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道仍然有振動問題，對換下來的疏水器解體檢查該疏水器未發(fā)現(xiàn)明顯異常，可以排除疏水器有問題，推斷4ASG003ZE疏水管道某處可能有輕微堵塞。

(2)汽水分離器4ASG003ZE旁路疏水閥開、關(guān)試驗

為了驗證汽水分離器4ASG003ZE的疏水管道是否存在堵塞問題，決定在疏水旁路閥全開、微開及全關(guān)三種狀態(tài)下起泵進行試驗，發(fā)現(xiàn)4ASG 004PO汽輪機入口蒸汽管道振動與疏水旁路閥的開關(guān)狀態(tài)有一定的相關(guān)性，試驗記錄如表5所示。

表5 汽水分離器4ASG003ZE疏水旁路閥開、關(guān)時管道振動情況

從疏水旁路閥開關(guān)試驗分析，當旁路閥全關(guān)時因疏水管道存在輕微堵塞，汽水分離器4ASG003ZE的液位會相對較高，蒸汽吹著疏水進入了4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道，形成汽、液二相流流動。當疏水旁路閥全開時，從圖1疏水系統(tǒng)圖可知，旁路疏水閥的下游接通了汽輪機的排汽管(與大氣相通)，會造成汽水分離器4ASG003ZE內(nèi)部的蒸汽壓力快速下降，從圖5壓力曲線上明顯看出當發(fā)生管道振動時4ASG003ZE內(nèi)部的蒸汽壓力明顯下降，其底部的疏水會因汽壓下降而沸騰，在汽水分離器內(nèi)部形成大量汽泡，汽泡內(nèi)含有水珠，汽水分離器上游來汽吹著這些汽泡進入了4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道，形成汽、液二相流流動。當疏水旁路閥微開時，因閥門開度較小，4ASG003ZE內(nèi)部的蒸汽壓力下降不明顯，其內(nèi)的疏水不會產(chǎn)生沸騰，且因微開的旁路疏水閥可以通過汽輪機排汽管消耗一部分疏水(疏水汽化成水蒸汽通過汽輪機排汽管排走)，彌補了疏水管疏水能力偏弱的不足，維持了汽水分離器4ASG003ZE下部的液位在合理的范圍內(nèi)，因此當旁路疏水閥微開時均未出現(xiàn)管道振動。

(3)汽水分離器4ASG003ZE旁路疏水及正常疏水灌水試驗

為了進一步驗證疏水管確實存在輕微堵塞，決定做一灌水試驗，打開汽水分離器4ASG003ZE的人孔門，向汽水分離器內(nèi)灌水，關(guān)閉旁路疏水閥，在疏水器后第一個法蘭處拆開管道并收集疏水，收集1 h的疏水量并稱重；打開旁路疏水閥，關(guān)閉正常疏水閥，在疏水排放口收集池處收集1 h的疏水量并稱重，疏水量記錄如表6所示。

表6 汽水分離器4ASG003ZE正常疏水管與旁路疏水管灌水試驗記錄表

從灌水試驗的結(jié)果比較，旁路疏水打開時的疏水能力明顯弱于正常疏水，疏水能力是正常疏水的一半左右，但比較設(shè)計圖紙疏水器上的疏水孔徑是φ5 mm，而疏水旁路管的內(nèi)徑φ9 mm，通流面積上比較旁路疏水的通流面積約是正常疏水的通流面積的3.24倍，在相同的灌水壓力及相同的時間內(nèi)，打開旁路的疏水量應(yīng)高于正常疏水的疏水量，而灌水試驗結(jié)果恰恰相反。由此斷定正常疏水與旁路疏水管道匯流后的下游某處疏水管道一定存在堵塞問題。

(4)汽水分離器4ASG003ZE高液位報警驗證

若疏水管道某處存在堵塞，則在關(guān)閉疏水旁路閥一段時間后，汽水分離器4ASG003ZE上的液位報警器4ASG016SN會出現(xiàn)液位高報警，除非4ASG016SN故障失去報警功能。為了驗證，現(xiàn)場將疏水旁路閥關(guān)閉8個小時后確實出現(xiàn)4ASG016SN高液位報警，因此確定汽水分離器4ASG003ZE正常疏水與旁路疏水管道匯流后的下游某處疏水管道一定存在堵塞問題。

(5)該核電站4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動高故障處理

經(jīng)細致排查已鎖定4ASG004PO汽輪機入口蒸汽管道振動高問題是疏水不暢的原因?qū)е拢F(xiàn)場在4ASG003ZE汽水分離器的正常疏水管下游重新接出一路疏水管道，確保4ASG003ZE汽水分離器疏水正常，經(jīng)多次啟動4ASG004PO驗證，汽輪機入口蒸汽管道未出現(xiàn)振動問題。

5 結(jié)論

汽水分離器4ASG003ZE疏水管道疏水不暢，會導致汽水分離器液位升高，可以造成4ASG004PO汽輪機的入口蒸汽管道帶有疏水，導致蒸汽品質(zhì)下降，泵組啟動時會造成轉(zhuǎn)速波動，甚至可造成電超速跳泵。同時蒸汽管道內(nèi)將出現(xiàn)汽、液二相流工況，若此時關(guān)小泵出口流量調(diào)節(jié)閥，則汽輪機的入口蒸汽調(diào)節(jié)閥也會自動關(guān)小，汽輪機進汽調(diào)節(jié)閥前蒸汽管道內(nèi)的壓力會升高，此時管道中的二相流所含有的水泡會破裂，產(chǎn)生噪音，水泡破裂后周圍的高壓水、汽快速填補破裂區(qū)，產(chǎn)生水錘，最終導致管道強烈振動。

因此在運行及備用狀態(tài)下務(wù)必保證汽水分離器底部的疏水管道疏水暢通，才能保證輔助給水汽動泵的可靠備用。