核電汽輪機凝汽器冷卻管避免振動碰磨的預防措施

張水桃，許曄，魯前奎

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

核電汽輪機凝汽器冷卻管避免振動碰磨的預防措施

張水桃，許曄，魯前奎

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

電站汽輪機凝汽器冷卻管在機組運行過程中發生振動是不可避免的，文章根據冷卻管產生振動碰磨的主要原因，并結合實際工程經驗，提出核電機組避免凝汽器冷卻管振動碰磨的措施，以降低凝汽器冷卻管因振動損壞而造成機組停機的風險，從而提高機組運行的安全可靠性。

核電汽輪機，凝汽器冷卻管，振動碰磨，預防措施

0 引言

凝汽器冷卻管的振動破壞事故一直是電站凝汽器運行中的一大問題，尤其是對濱海核電機組，電廠工作流程圖如圖1所示，一旦冷卻管發生泄漏，將導致凝結水含鹽量升高，造成二回路給水水質惡化，輕則引起機組降負荷、凝汽器半側運行，重則使一回路蒸汽發生器的換熱管酸性腐蝕、爆管和汽輪機葉片結垢，影響整個核電機組安全。汽流激振是凝汽器冷卻管發生振動碰磨甚至破壞的主要原因之一，而核電機組，由于汽輪機主蒸汽參數 （如溫度、壓力）較低，濕度大，流量大，新蒸汽的質量流量為同功率常規火電機組的170%～190%，體積流量為其250%～350%，低壓排汽體積流量為其165%～175%，另外，核電機組旁路容量比火電機組大。比如某種堆型的核電站，核島堆芯在瞬態工況下，機-堆功率不匹配時，需通過旁路排放多余蒸汽，而旁路容量可達到72%～85%汽輪機主蒸汽流量，并且旁路蒸汽以與主蒸汽參數相同的溫度、壓力通過旁路擴散器排入凝汽器，從而避免NSSS系統超溫、超壓，因此，在有限的冷卻管排管空間里，核電凝汽器內蒸汽流速相對較高，冷卻管受高速汽流的激振作用更大。由于核電站的特殊工作條件，對常規島的設備及系統在安全性、可靠性方面的要求更高。本文根據冷卻管產生振動的主要原因，結合實際工程經驗，提出核電機組避免凝汽器冷卻管振動碰磨的措施，防止凝汽器冷卻管振動碰磨、損壞，以保證凝汽器能夠安全、穩定運行，從而提高核電機組運行的安全可靠性。

圖1 核電廠工作流程圖

1 汽輪機凝汽器冷卻管產生振動碰磨的主要原因

電站汽輪機凝汽器冷卻管在機組運行過程中發生振動是不可避免的。引起冷卻管振動的外因主要有兩個方面：（1）擾動頻率與冷卻管固有頻率接近或相等，使冷卻管發生共振，振幅和應力急劇增加； （2）凝汽器接收的高速排汽流橫掠過冷卻管的激振作用，使冷卻管產生過大的振幅，相互碰撞、磨損。而從凝汽器自身結構而言，引起凝汽器冷卻管振動碰磨、損壞的因素主要體現在兩個方面：（1）凝汽器喉部的布置。由于凝汽器喉部空間有限，喉部呈擴散狀態布置，喉部布置有低壓加熱器、旁路擴散器等輔助設備，使得喉部出流處于一種不均勻的流動分布狀態。尤其是核電凝汽器，與常規火電機組相比，喉部內布置的輔助設備體積比較龐大，汽輪機主排汽量和旁路蒸汽排放量也很大，使得喉部出流不均勻的流動狀態更為嚴重。正是這種不均勻的流動分布，使得下游凝汽器殼體內凝結區域的冷卻管受力也極不平衡，這勢必會增大冷卻管局部振動碰磨、破壞的可能性。（2）凝汽器殼體管束的布置。凝汽器冷卻管管束是所有冷卻管以某一節距、按某種形狀排列而成；管束冷卻管中間以某一跨距均勻設置了一系列支撐板，以防止冷卻管產生過大的靜撓度，同時提高冷卻管的固有頻率，預防冷卻管振動破壞。如果冷卻管管束排列不合理，會使凝汽器殼體內汽相流場不均勻，導致管束局部流速過高而引起冷卻管振幅過大，造成冷卻管振動碰磨；如果冷卻管間橋距太小，將可能導致相鄰冷卻管間振動碰磨；而冷卻管支撐跨距越大，冷卻管的撓度會越大，高速汽流橫掠過冷卻管產生的振幅也越大，冷卻管越容易發生振動碰磨、損壞。因此，為了預防凝汽器冷卻管在機組運行中發生振動碰磨、損壞，既要考慮冷卻管固有頻率的避振裕度，又要考慮高速汽流的激振作用，除了合理布置安裝于凝汽器喉部內的輔助設備，還應合理設計冷卻管束。

2 凝汽器冷卻管振動計算

機組運行中，凝汽器冷卻管總是以某一頻率在汽流激振下發生振動，振幅較小時，凝汽器運行是安全的。為了避免冷卻管共振、高速汽流激振導致應力過大而產生的振幅過大，以及冷卻管間相互碰撞的發生，在凝汽器設計中，應合理確定冷卻管的支撐跨距，這也是冷卻管振動計算的主要目的。

2.1 冷卻管固有頻率計算

由于凝汽器冷卻管兩端通過脹+焊的連接方式固定在端管板上，在端管板之間由支撐板支撐，根據一般的機械振動理論，可以將冷卻管簡化為兩端固定、中間等跨距簡支的多跨距的連續梁，如圖2所示。冷卻管隨著支撐跨距的不同，其固有頻率也隨之變化。因此，為了避免冷卻管的固有頻率等于或接近外界的激振頻率而發生共振，應把固有頻率調整到遠離激振頻率，并保持有一定的共振裕度。計算公式如下：

式中：

E―材料彈性模量，MPa；

do、di―冷卻管外徑和內徑，m；

m―單位冷卻管長質量，kg/m；

l―中間支撐板跨距，m。

圖2 冷卻管支撐模型

2.2 最長允許跨距計算

目前，雖然對高速汽流導致冷卻管損壞的應用研究工作尚未取得完全一致的結論，但是通過大量的實驗研究和實測分析，獲得了許多實用于工程設計的研究成果和經驗公式。例如HEI標準公式和 Sebald J.F.公式，以及Coit R.L.公式和Peake C.C.修正公式等。

其中，Sebald J.F.認為，高速汽流激起的冷卻管振動可能發生嚴重的損壞，這是一種由汽流拖曳作用所致的、在自身固有頻率下的振動，振幅隨流速的提高而增大。Sebald J.F.提出，冷卻管最大撓度y保持在冷卻管排列孔橋b的1/4以內，即可預防冷卻管的振動，據此即可獲得一種冷卻管許用跨距L的計算公式 （詳見文獻 [1]）。

Coit R.L.等提出了振動度的概念，以表征冷卻管振動的嚴重性，并認為它與冷卻管單位長度上承受的汽流負荷成正比，與冷卻管跨距的剛度及冷卻管材料的對數衰減率成反比，而冷卻管跨距的剛度與冷卻管跨距成反比，由此也可得出一種冷卻管許用最大跨距L的計算公式（詳見文獻[1]）。

而Peake C.C.等進一步對振動度提出了限制，從而進一步得出了另一種冷卻管許用最大跨距L的計算公式 （詳見文獻 [1]）。

美國傳熱學會HEI標準則規定，可根據汽輪機排汽口達到音速的條件下 （除非用戶另行提出苛刻的參數條件）確定凝汽器冷卻管的最大跨距值。其經驗計算公式如下：

式中：Ls表示計算跨距；L0表示基礎跨距；K1為冷卻管規格隨凝汽器壓力變化的修正系數；K2為冷卻管間距修正系數；K3為冷卻管材料修正系數；而冷卻管需滿足端跨距l1≤1.18ls，中間跨距lm≤1.05ls的要求。

上述幾種預防汽流激振的經驗公式各有其假設條件及適用范圍。不論是美國傳熱學會的HEI標準，還是其他經驗公式，一般都將流場看成是均勻的，然后再從整體上考慮流動的不均勻性，所以幾種計算冷卻管汽流激振的經驗公式還是比較粗糙，不能包容凝汽器的全部實際運行工況。研究表明，在不計及或無法計及汽流不均勻性的情況下，采用HEI標準公式比采用其他3種公式安全一些。由于HEI標準公式的優點是使用方便，一般情況下是安全可靠的，因此，常在工程設計中被推薦采用。

3 核電汽輪機組凝汽器避免冷卻管振動碰磨的預防措施

雖然凝汽器在設計階段應進行詳細的振動計算，但是，由于凝汽器喉部出口蒸汽速度分布很不均勻，難于預先精確了解，尤其是核電凝汽器與常規火電凝汽器相比，相同功率等級的機組，核電汽輪機排汽量更大，特別是對某些堆型而言，旁路蒸汽流量更大，進入旁路擴散器的蒸汽參數高，使得凝汽器內蒸汽流動更加錯綜復雜，不但速度分布極不均勻，而且密度分布也不均勻，汽流的沖擊激振更難控制、破壞性更強。因此，在實際工程實踐中，應在理論分析和計算的基礎上適當采取必要的預防措施，以避免凝汽器冷卻管在機組運行中發生振動碰磨、損壞。

3.1 避免已產出機組凝汽器冷卻管振動碰磨的措施及應用實例

對于在役機組凝汽器，通過監測、檢查，如果發現凝汽器冷卻管因汽流激振產生了碰磨、損壞現象，可在管束迎流區設置防沖不銹鋼假管，防止高速汽流沖蝕冷卻管；在冷卻管碰磨區域局部安裝防磨條，以局部減小該區域冷卻管跨距、減小冷卻管振幅，從而避免凝汽器冷卻管在機組運行中繼續發生振動碰磨，甚至損壞。對于已經安裝但尚未投運機組的凝汽器，應根據同類型機組運行實踐經驗，酌情采取預防性措施，防止機組投運后發生冷卻管振動碰磨，甚至損壞事故。

應用實例一：核電廠A，其2臺機組的凝汽器在機組投運初期做試驗 （含甩100%負荷、甩50%負荷、旁路投入等工況）期間先后共有5根冷卻管發生了斷裂、泄漏事故，并且在停機后抽管檢查均發現管束的某些迎流區有幾排冷卻管之間存在碰磨現象。事故發生后，經過分析研究，采取了以下處理措施：

（1）將凝汽器管束頂排受損冷卻管更換為不銹鋼假管；

（2）在冷卻管發生碰磨的區域局部加裝防磨條（防磨條是具有一定剛性及彈性、被抽成真空的軟管。防磨條裝入冷卻管間后，切下防磨條端部，破壞其真空，使防磨條在冷卻管間均勻膨脹從而達到減振目的。圖3為防磨條實物，圖4為碰磨區域冷卻管每跨中間防磨條安裝實例）；

圖3 防磨條

圖4 防磨條安裝實例

（3）在迎流區無法安裝防磨條的區域進行局部預防性堵管。

采取上述措施后，核電廠A的兩臺機組已分別持續運行超過了2年，經監測、檢查，先前冷卻管的碰磨范圍未進一步擴大，也未再發現新的冷卻管碰磨、斷裂情況；凝汽器換熱未受影響；機組能夠安全運行。

應用實例二：核電廠B的凝汽器是以核電廠A為參考進行設計的。為了防止核電廠B的凝汽器在機組運行中發生類似于核電廠A的冷卻管斷裂、泄漏、碰磨事故，在機組啟動前特別制定了如下預防性方案：

（1）在迎流區冷卻管可能發生碰磨的區域局部加裝防磨條；

（2）在迎流區無法安裝防磨條的區域進行局部預防性堵管。

實施以上預防性措施后，目前電廠所有相關調試試驗均已完成，包括甩負荷試驗、跳機不跳堆試驗、甩空載試驗、甩負荷至廠用電試驗、跳堆試驗等，在整個聯調期間，均未發現有冷卻管泄漏的跡象，現在機組已經正常商運。

3.2 新設計機組凝汽器冷卻管振動碰磨預防性措施

凝汽器的實際運行工況往往與理論分析及設計計算存在一定偏差，因此，對于新設計機組的凝汽器，除了依據相關設計規范進行必要的理論計算，還應根據冷卻管產生振動碰磨的主要原因，并結合實際工程經驗，在設計階段從以下幾個方面采取措施，優化凝汽器結構設計，從而預防冷卻管在機組運行中發生振動碰磨：

（1）合理布置凝汽器喉部內的輔助設備，包括旁路蒸汽擴散裝置，以保證喉部出口汽流在流入管束前達到一定的均勻程度；

（2）合理設計冷卻管管束，降低冷卻管附近蒸汽流速，并盡可能使管束內蒸汽流場均勻，避免局部流速過高而引起的冷卻管振幅過大；

（3）在滿足凝汽器相關設計規范的同時，在合理的范圍內適當加大冷卻管橋距，以避免相鄰冷卻管間產生振動碰磨；

（4）在管束中較危險的迎流區采取防沖刷措施，以減小汽流激振及沖蝕的影響；

（5）控制冷卻管支撐跨距，在滿足HEI標準推薦的冷卻管最長跨距的前提下，盡可能選擇較小的支撐跨距，既避免冷卻管產生共振，又能有效控制冷卻管振幅，從而避免冷卻管振動碰磨。

采取上述措施合理設計凝汽器，即可在保證冷卻管固有頻率避開擾動頻率的前提下，有效地減小冷卻管振幅，從而可以有效地避免冷卻管碰磨，降低凝汽器冷卻管振動破壞的風險。

4 結論

凝汽器冷卻管在機組運行過程中發生振動是不可避免的，在實際工程實踐中，不但應進行詳細的冷卻管振動計算，還應根據冷卻管產生振動碰磨的主要原因，并結合實際工程經驗，在理論分析和計算的基礎上適當采取必要的預防措施，以避免凝汽器冷卻管在機組運行中發生振動碰磨、損壞。特別是核電機組，為了不因凝汽器冷卻管的振動破壞而停機，達到長周期安全運行，在凝汽器的設計中采取避免冷卻管振動碰磨的預防性措施尤為重要。即：除了合理布置凝汽器喉部內的輔助設備，合理設計冷卻管束外，還應在滿足相關設計規范的前提下適當加大冷卻管橋距，在管束中較為危險的迎流區采取防沖刷措施，適當減小冷卻管跨距，必要時，可在管束迎流區局部安裝防磨條，以局部減小該區域冷卻管跨距、減小冷卻管振幅，從而避免凝汽器冷卻管在機組運行中發生振動碰磨，甚至損壞，提高機組運行的安全可靠性。

[1]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京:機械工業出版社,1993

Preventative Measure of Avoiding Condenser Tube's Vibration Friction Defect for Nuclear Turbine

Zhang Shuitao，Xu Ye，Lu Qiankui
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Condenser tube's vibration is inevitable during turbine operating.According to themain cause of tube's vibration and the practical engineering experience,the preventativemeasure of avoiding condenser tube's vibration friction defect for nuclear turbine is presented to reduce the risk of turbine shut down due to condenser tube's vibration damage and improve the safety and reliability of the unitoperating.

nuclear turbine,condenser tube,vibration friction,preventativemeasure

TK262

：A

：1674-9987（2014）03-0001-04

張水桃 （1966-），女，學士學位，高級工程師，1987年畢業于西安交通大學，長期從事汽輪機輔機設計工作。