三门核电站主蒸汽管线振动噪声诊断及处理

王磊 张锴

1.中国核电三门核电有限公司 浙江台州 317112

2.上海核工程研究设计院有限公司 上海 200233

根据美国核管会RG 1．20要求对新建压水堆蒸汽发生器内件和蒸汽系统及设备由于流动激励的声共振所造成的不利影响作出评价。三门核电站在调试阶段，发现主蒸汽管线噪声偏大。有鉴于此，本文对三门核电站主蒸汽管线振动噪声进行实堆测量，获得实际运行过程中主蒸汽管道的振动噪声反应，验证三门核电站主蒸汽管道不会由于强烈声共振造成严重的不利影响。分析造成主蒸汽管道的噪声反应偏大的主要原因，并提出缓解主蒸汽管线噪声偏大的优化改造方案[1]。

1 振动噪声测量

振动噪声测量采用固定式测量方法，在安全阀和隔离阀及其上下游近端和远端主蒸汽管道布置测点。振动测量采用加速度传感器，直接布置在管道和阀门上。噪声测量采用传声器，布置在管道保温外侧。噪声测量通过一定的防护措施屏蔽非主蒸汽管线噪声的干扰，并通过试验获得的主蒸汽管道及保温的隔声量，推算出管道内部的蒸汽压力脉动。

测量表明，50%以下功率时，管道振动噪声幅值相对较低。随着功率提升，振动噪声幅值逐渐提高。100%功率时，主蒸汽管道外噪声声压级最大达到80～90dB，主蒸汽管道内压力脉动声压级最大达到150～155dB，位移幅值最大达到200μm。振动噪声和压力脉动均在190Hz、320Hz及其倍频频率附近出现峰值。振动噪声两种测量方法所得的主要高频峰值频率基本重合，说明声载荷是导致管道高频振动的主要原因。

按ASME OM S/G-2003第三部分的管道振动限值，对三门核电站主蒸汽管线（主蒸汽隔离阀和安全阀段）的振动测量结果进行评定。评定结果表明，三门核电站主蒸汽管线（主蒸汽隔离阀和安全阀段）的振动测量值均小于振动限值，满足规范标准要求。三门核电站主蒸汽管道不会由于强烈声共振造成严重的不利影响。

2 原因分析

为确定三门核电站主蒸汽管道噪声反应偏大的主要原因，通过主蒸汽管线计算流体动力学（CFD）和计算气动声学（CAA）计算，获得主蒸汽管道内流场及声场分布。通过对比管道内压力脉动典型频率的计算和测量结果的差异，诊断分析三门核电站主蒸汽管道噪声峰值产生的可能原因。

建立主蒸汽管线及安全阀、隔离阀声学模型，提取管线典型声模态。由声模态计算结果可以看出，主蒸汽管线具有复杂的声模态特征，在 77Hz，186Hz，197Hz，329Hz，377Hz，451Hz等频率处均出现典型声模态。

建立主蒸汽管线及安全阀、隔离阀CFD及CAA计算模型，计算管道内流场及声场分布。首先开展流场计算，采用分离涡模型，非定常计算。主蒸汽管线流场计算完成后，将声源区域的流场信息转化为声源信息，两端管道各延伸一段声传播区，并在管道两端面定义模态面，用以模拟声音沿无限长管道传播。计算中，参照实堆测点，在模型中安全阀和隔离阀上下游设置一定的监测点，输出监测点上的压力脉动，用以与测量结果相对比[2]。

根据CFD及CAA计算结果可以得出结论，安全阀上下游测点上，噪声主要峰值为200Hz频率处；隔离阀上下游测点上，噪声主要峰值为200Hz、330Hz和700Hz等频率处。噪声频率与声模态结果接近。由声场分布结果可以看出，200Hz频率声能主要集中在隔离阀腔体及安全阀旁支管内；330Hz频率声能主要集中在隔离阀腔体及隔离阀下游；700Hz频率主蒸汽管道内声能分布趋近均匀。

为进一步对数据进行分析，将三门核电站100%功率下主蒸汽管线噪声测量结果与模型计算得到的噪声数据进行对比。对比表明主蒸汽管线计算流体动力学（CFD）和计算气动声学（CAA）计算所得噪声峰值频率与测量结果基本一致，噪声声压级幅值略大于实测结果。CFD+CAA方法对于计算主蒸汽管系的流致噪声问题具有一定的准确度，可为工程设计和该类问题的诊断处理提供参考。分析表明，三门核电站主蒸汽管线主要低频噪声（200Hz和320Hz）来自管道空腔声模态，高频宽频噪声源于高速湍流。

3 优化改造方案及效果

旁支管系的声共振问题在工业界有着广泛的研究[2]。实验表明，临界斯特鲁哈数（S0）直接影响管系声共振的发生，临界斯特鲁哈数定义为：

根据式（1），解决主蒸汽管线声共振问题最简单的措施是扩大支管开口直径或者缩短支管长度（降低声共振模态频率）。这两个改进措施需要对主蒸汽管道进行改造[3]。在支管上安装一个声学旁支管（ASB），内装声耗散材料，降低管系的声共振强度。

本文将三门核电站主蒸汽管线安全阀支管的长度缩短1/3，采用上文所述主蒸汽管线及安全阀、隔离阀CFD及CAA计算模型，对改造效果进行计算。计算表明，支管长度缩短后，噪声峰值频率有所提高，噪声峰值幅值从160dB下降到140dB，可以有效缓解主蒸汽管线声共振问题。

4 结语

三门核电站主蒸汽管线（主蒸汽隔离阀和安全阀段）噪声偏大，本文对三门核电站主蒸汽管线（主蒸汽隔离阀和安全阀段）进行振动噪声实堆测量，获得实际运行过程中主蒸汽管道的振动噪声反应，并进行管道振动评定。评定结果表明，三门核电站主蒸汽管线（主蒸汽隔离阀和安全阀段）的振动满足规范标准要求。三门核电站主蒸汽管道不会由于强烈声共振造成严重的不利影响。分析表明，三门核电站主蒸汽管线主要低频噪声（200Hz和320Hz）来自管道空腔声模态，高频宽频噪声源于高速湍流主蒸汽管线安全阀支管长度缩短可以有效缓解主蒸汽管线声共振问题。