核电汽轮机凝汽器冷却管避免振动碰磨的预防措施

张水桃，许晔，鲁前奎

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

核电汽轮机凝汽器冷却管避免振动碰磨的预防措施

张水桃，许晔，鲁前奎

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

电站汽轮机凝汽器冷却管在机组运行过程中发生振动是不可避免的，文章根据冷却管产生振动碰磨的主要原因，并结合实际工程经验，提出核电机组避免凝汽器冷却管振动碰磨的措施，以降低凝汽器冷却管因振动损坏而造成机组停机的风险，从而提高机组运行的安全可靠性。

核电汽轮机，凝汽器冷却管，振动碰磨，预防措施

0 引言

凝汽器冷却管的振动破坏事故一直是电站凝汽器运行中的一大问题，尤其是对滨海核电机组，电厂工作流程图如图1所示，一旦冷却管发生泄漏，将导致凝结水含盐量升高，造成二回路给水水质恶化，轻则引起机组降负荷、凝汽器半侧运行，重则使一回路蒸汽发生器的换热管酸性腐蚀、爆管和汽轮机叶片结垢，影响整个核电机组安全。汽流激振是凝汽器冷却管发生振动碰磨甚至破坏的主要原因之一，而核电机组，由于汽轮机主蒸汽参数 （如温度、压力）较低，湿度大，流量大，新蒸汽的质量流量为同功率常规火电机组的170%～190%，体积流量为其250%～350%，低压排汽体积流量为其165%～175%，另外，核电机组旁路容量比火电机组大。比如某种堆型的核电站，核岛堆芯在瞬态工况下，机-堆功率不匹配时，需通过旁路排放多余蒸汽，而旁路容量可达到72%～85%汽轮机主蒸汽流量，并且旁路蒸汽以与主蒸汽参数相同的温度、压力通过旁路扩散器排入凝汽器，从而避免NSSS系统超温、超压，因此，在有限的冷却管排管空间里，核电凝汽器内蒸汽流速相对较高，冷却管受高速汽流的激振作用更大。由于核电站的特殊工作条件，对常规岛的设备及系统在安全性、可靠性方面的要求更高。本文根据冷却管产生振动的主要原因，结合实际工程经验，提出核电机组避免凝汽器冷却管振动碰磨的措施，防止凝汽器冷却管振动碰磨、损坏，以保证凝汽器能够安全、稳定运行，从而提高核电机组运行的安全可靠性。

图1 核电厂工作流程图

1 汽轮机凝汽器冷却管产生振动碰磨的主要原因

电站汽轮机凝汽器冷却管在机组运行过程中发生振动是不可避免的。引起冷却管振动的外因主要有两个方面：（1）扰动频率与冷却管固有频率接近或相等，使冷却管发生共振，振幅和应力急剧增加； （2）凝汽器接收的高速排汽流横掠过冷却管的激振作用，使冷却管产生过大的振幅，相互碰撞、磨损。而从凝汽器自身结构而言，引起凝汽器冷却管振动碰磨、损坏的因素主要体现在两个方面：（1）凝汽器喉部的布置。由于凝汽器喉部空间有限，喉部呈扩散状态布置，喉部布置有低压加热器、旁路扩散器等辅助设备，使得喉部出流处于一种不均匀的流动分布状态。尤其是核电凝汽器，与常规火电机组相比，喉部内布置的辅助设备体积比较庞大，汽轮机主排汽量和旁路蒸汽排放量也很大，使得喉部出流不均匀的流动状态更为严重。正是这种不均匀的流动分布，使得下游凝汽器壳体内凝结区域的冷却管受力也极不平衡，这势必会增大冷却管局部振动碰磨、破坏的可能性。（2）凝汽器壳体管束的布置。凝汽器冷却管管束是所有冷却管以某一节距、按某种形状排列而成；管束冷却管中间以某一跨距均匀设置了一系列支撑板，以防止冷却管产生过大的静挠度，同时提高冷却管的固有频率，预防冷却管振动破坏。如果冷却管管束排列不合理，会使凝汽器壳体内汽相流场不均匀，导致管束局部流速过高而引起冷却管振幅过大，造成冷却管振动碰磨；如果冷却管间桥距太小，将可能导致相邻冷却管间振动碰磨；而冷却管支撑跨距越大，冷却管的挠度会越大，高速汽流横掠过冷却管产生的振幅也越大，冷却管越容易发生振动碰磨、损坏。因此，为了预防凝汽器冷却管在机组运行中发生振动碰磨、损坏，既要考虑冷却管固有频率的避振裕度，又要考虑高速汽流的激振作用，除了合理布置安装于凝汽器喉部内的辅助设备，还应合理设计冷却管束。

2 凝汽器冷却管振动计算

机组运行中，凝汽器冷却管总是以某一频率在汽流激振下发生振动，振幅较小时，凝汽器运行是安全的。为了避免冷却管共振、高速汽流激振导致应力过大而产生的振幅过大，以及冷却管间相互碰撞的发生，在凝汽器设计中，应合理确定冷却管的支撑跨距，这也是冷却管振动计算的主要目的。

2.1 冷却管固有频率计算

由于凝汽器冷却管两端通过胀+焊的连接方式固定在端管板上，在端管板之间由支撑板支撑，根据一般的机械振动理论，可以将冷却管简化为两端固定、中间等跨距简支的多跨距的连续梁，如图2所示。冷却管随着支撑跨距的不同，其固有频率也随之变化。因此，为了避免冷却管的固有频率等于或接近外界的激振频率而发生共振，应把固有频率调整到远离激振频率，并保持有一定的共振裕度。计算公式如下：

式中：

E―材料弹性模量，MPa；

do、di―冷却管外径和内径，m；

m―单位冷却管长质量，kg/m；

l―中间支撑板跨距，m。

图2 冷却管支撑模型

2.2 最长允许跨距计算

目前，虽然对高速汽流导致冷却管损坏的应用研究工作尚未取得完全一致的结论，但是通过大量的实验研究和实测分析，获得了许多实用于工程设计的研究成果和经验公式。例如HEI标准公式和 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.认为，高速汽流激起的冷却管振动可能发生严重的损坏，这是一种由汽流拖曳作用所致的、在自身固有频率下的振动，振幅随流速的提高而增大。Sebald J.F.提出，冷却管最大挠度y保持在冷却管排列孔桥b的1/4以内，即可预防冷却管的振动，据此即可获得一种冷却管许用跨距L的计算公式 （详见文献 [1]）。

Coit R.L.等提出了振动度的概念，以表征冷却管振动的严重性，并认为它与冷却管单位长度上承受的汽流负荷成正比，与冷却管跨距的刚度及冷却管材料的对数衰减率成反比，而冷却管跨距的刚度与冷却管跨距成反比，由此也可得出一种冷却管许用最大跨距L的计算公式（详见文献[1]）。

而Peake C.C.等进一步对振动度提出了限制，从而进一步得出了另一种冷却管许用最大跨距L的计算公式 （详见文献 [1]）。

美国传热学会HEI标准则规定，可根据汽轮机排汽口达到音速的条件下 （除非用户另行提出苛刻的参数条件）确定凝汽器冷却管的最大跨距值。其经验计算公式如下：

式中：Ls表示计算跨距；L0表示基础跨距；K1为冷却管规格随凝汽器压力变化的修正系数；K2为冷却管间距修正系数；K3为冷却管材料修正系数；而冷却管需满足端跨距l1≤1.18ls，中间跨距lm≤1.05ls的要求。

上述几种预防汽流激振的经验公式各有其假设条件及适用范围。不论是美国传热学会的HEI标准，还是其他经验公式，一般都将流场看成是均匀的，然后再从整体上考虑流动的不均匀性，所以几种计算冷却管汽流激振的经验公式还是比较粗糙，不能包容凝汽器的全部实际运行工况。研究表明，在不计及或无法计及汽流不均匀性的情况下，采用HEI标准公式比采用其他3种公式安全一些。由于HEI标准公式的优点是使用方便，一般情况下是安全可靠的，因此，常在工程设计中被推荐采用。

3 核电汽轮机组凝汽器避免冷却管振动碰磨的预防措施

虽然凝汽器在设计阶段应进行详细的振动计算，但是，由于凝汽器喉部出口蒸汽速度分布很不均匀，难于预先精确了解，尤其是核电凝汽器与常规火电凝汽器相比，相同功率等级的机组，核电汽轮机排汽量更大，特别是对某些堆型而言，旁路蒸汽流量更大，进入旁路扩散器的蒸汽参数高，使得凝汽器内蒸汽流动更加错综复杂，不但速度分布极不均匀，而且密度分布也不均匀，汽流的冲击激振更难控制、破坏性更强。因此，在实际工程实践中，应在理论分析和计算的基础上适当采取必要的预防措施，以避免凝汽器冷却管在机组运行中发生振动碰磨、损坏。

3.1 避免已产出机组凝汽器冷却管振动碰磨的措施及应用实例

对于在役机组凝汽器，通过监测、检查，如果发现凝汽器冷却管因汽流激振产生了碰磨、损坏现象，可在管束迎流区设置防冲不锈钢假管，防止高速汽流冲蚀冷却管；在冷却管碰磨区域局部安装防磨条，以局部减小该区域冷却管跨距、减小冷却管振幅，从而避免凝汽器冷却管在机组运行中继续发生振动碰磨，甚至损坏。对于已经安装但尚未投运机组的凝汽器，应根据同类型机组运行实践经验，酌情采取预防性措施，防止机组投运后发生冷却管振动碰磨，甚至损坏事故。

应用实例一：核电厂A，其2台机组的凝汽器在机组投运初期做试验 （含甩100%负荷、甩50%负荷、旁路投入等工况）期间先后共有5根冷却管发生了断裂、泄漏事故，并且在停机后抽管检查均发现管束的某些迎流区有几排冷却管之间存在碰磨现象。事故发生后，经过分析研究，采取了以下处理措施：

（1）将凝汽器管束顶排受损冷却管更换为不锈钢假管；

（2）在冷却管发生碰磨的区域局部加装防磨条（防磨条是具有一定刚性及弹性、被抽成真空的软管。防磨条装入冷却管间后，切下防磨条端部，破坏其真空，使防磨条在冷却管间均匀膨胀从而达到减振目的。图3为防磨条实物，图4为碰磨区域冷却管每跨中间防磨条安装实例）；

图3 防磨条

图4 防磨条安装实例

（3）在迎流区无法安装防磨条的区域进行局部预防性堵管。

采取上述措施后，核电厂A的两台机组已分别持续运行超过了2年，经监测、检查，先前冷却管的碰磨范围未进一步扩大，也未再发现新的冷却管碰磨、断裂情况；凝汽器换热未受影响；机组能够安全运行。

应用实例二：核电厂B的凝汽器是以核电厂A为参考进行设计的。为了防止核电厂B的凝汽器在机组运行中发生类似于核电厂A的冷却管断裂、泄漏、碰磨事故，在机组启动前特别制定了如下预防性方案：

（1）在迎流区冷却管可能发生碰磨的区域局部加装防磨条；

（2）在迎流区无法安装防磨条的区域进行局部预防性堵管。

实施以上预防性措施后，目前电厂所有相关调试试验均已完成，包括甩负荷试验、跳机不跳堆试验、甩空载试验、甩负荷至厂用电试验、跳堆试验等，在整个联调期间，均未发现有冷却管泄漏的迹象，现在机组已经正常商运。

3.2 新设计机组凝汽器冷却管振动碰磨预防性措施

凝汽器的实际运行工况往往与理论分析及设计计算存在一定偏差，因此，对于新设计机组的凝汽器，除了依据相关设计规范进行必要的理论计算，还应根据冷却管产生振动碰磨的主要原因，并结合实际工程经验，在设计阶段从以下几个方面采取措施，优化凝汽器结构设计，从而预防冷却管在机组运行中发生振动碰磨：

（1）合理布置凝汽器喉部内的辅助设备，包括旁路蒸汽扩散装置，以保证喉部出口汽流在流入管束前达到一定的均匀程度；

（2）合理设计冷却管管束，降低冷却管附近蒸汽流速，并尽可能使管束内蒸汽流场均匀，避免局部流速过高而引起的冷却管振幅过大；

（3）在满足凝汽器相关设计规范的同时，在合理的范围内适当加大冷却管桥距，以避免相邻冷却管间产生振动碰磨；

（4）在管束中较危险的迎流区采取防冲刷措施，以减小汽流激振及冲蚀的影响；

（5）控制冷却管支撑跨距，在满足HEI标准推荐的冷却管最长跨距的前提下，尽可能选择较小的支撑跨距，既避免冷却管产生共振，又能有效控制冷却管振幅，从而避免冷却管振动碰磨。

采取上述措施合理设计凝汽器，即可在保证冷却管固有频率避开扰动频率的前提下，有效地减小冷却管振幅，从而可以有效地避免冷却管碰磨，降低凝汽器冷却管振动破坏的风险。

4 结论

凝汽器冷却管在机组运行过程中发生振动是不可避免的，在实际工程实践中，不但应进行详细的冷却管振动计算，还应根据冷却管产生振动碰磨的主要原因，并结合实际工程经验，在理论分析和计算的基础上适当采取必要的预防措施，以避免凝汽器冷却管在机组运行中发生振动碰磨、损坏。特别是核电机组，为了不因凝汽器冷却管的振动破坏而停机，达到长周期安全运行，在凝汽器的设计中采取避免冷却管振动碰磨的预防性措施尤为重要。即：除了合理布置凝汽器喉部内的辅助设备，合理设计冷却管束外，还应在满足相关设计规范的前提下适当加大冷却管桥距，在管束中较为危险的迎流区采取防冲刷措施，适当减小冷却管跨距，必要时，可在管束迎流区局部安装防磨条，以局部减小该区域冷却管跨距、减小冷却管振幅，从而避免凝汽器冷却管在机组运行中发生振动碰磨，甚至损坏，提高机组运行的安全可靠性。

[1]张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京:机械工业出版社,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

张水桃 （1966-），女，学士学位，高级工程师，1987年毕业于西安交通大学，长期从事汽轮机辅机设计工作。