李彦辉，李如源 ，杨 璋
(福建宁德核电有限公司,福建宁德 355200)
摘要：针对某核电站低压安注系统的回流管线剧烈振动问题，通过振动分析、理论计算及数值模拟分析，确定了节流孔板的气蚀是引起管线振动的根本原因。在保证系统功能满足设计规范的前提下，结合现场的实际情况，增设了多级孔板并扩宽原有的单级孔板。回流管线改造后，降低了管线振动水平，确保了该系统安全可靠地运行，并验证了分析方法的正确性。
关键词：振动；节流孔板；气蚀；数值模拟
在核电厂管道系统设计中，大量采用节流孔板来增加系统的阻力，限制管道流速。目前，由于节流孔板的设计和分析还未标准化，在设计过程中,通常依据经验及一些实验室得出的经验公式，这样设计出来的节流孔板容易造成过度节流，引起管内的局部压力脉动，从而使管道系统出现振动和噪声，严重情况下会导致构件开裂和流体泄漏，造成巨大经济损失。
本文针对某核电站低压安注系统回流管线的节流孔板气蚀引起的管道剧烈振动，研究了节流孔板气蚀的分析方法和处理方案。
根据动量方程、伯努利方程及欧拉连续性方程可知，当流体经过节流孔板时，将会变细或收缩，在缩流断面处流速最大，部分静压转变为动压，从而在其两侧产生很大压降，如图1所示。v0>v1=v2，p1>p2>p0，其中，p0，v0分别为孔板附近处的压力和流速；p1，v1分别为孔板前的压力和流速；p2，v2分别为孔板后的压力和流速。[1]
图1 节流孔板的压力速度变化示意图
节流孔板后流体高速流动引起局部压力低于液体相应的饱和蒸汽压力，此时流体中将会有蒸汽(同时有溶解在水中的其他气体)以气体的形式逸出，形成微小气泡。这些气泡在孔板下游大于饱和蒸汽压力的区域将破裂，形成高速微射流，局部形成高于周围压力数千倍的冲击压[2]。由于气泡不能在瞬间全部破裂或溶解，在冲击作用下又分成许多小气泡，再被高压流体压缩、凝结及破裂，如此多次反复，引起管道振动并产生一种类似于砂石流过管道的噪音，此种现象称为气蚀。气蚀形成的冲击力高达上百MPa甚至上千MPa，大量气泡持续高频率冲击管壁可以产生较大的振动和噪音，并对管壁造成严重的损坏。因此，在节流孔板设计时，必须防止气蚀现象的产生，避免气蚀对管线系统的影响。
某核电站低压安注系统的回流管线由对称的两列组成，以其中一列为例，如图2所示。
图2 系统一列回流管线示意图
系统在进行小流量试验时，回流管线发生强烈振动并产生高噪音。振动分析和频谱分析表明，孔板附近管道振动高达40 mm/s，频率高达207 Hz，振动特性比较符合节流孔板气蚀引起管线振动的情况。因此，孔板气蚀可能是管线振动的根本原因。
判断节流孔板下游是否发生气蚀现象，需要对孔板进行压差分析。
3.1 理论计算
ISO5167-1及GB/T2624-2006中的流量与差压的关系公式为[3-4]
qm=
(1)
式中:qm为质量流量，kg/s；C为流出系数；β为直径比；ε为膨胀修正系数；ρ为液体密度，kg/m3； Δp为压降，MPa ；d为孔板孔径。
计算可得：
Δp=
(2)
系统的回流管道材质为0Cr18Ni11Ti不锈钢，外径为88.9 mm，内径82.8 mm，节流孔板孔径34.7 mm，泵出口压力为1.8 MPa,入口压力为0.22 MPa，体积流量为128 m3/h , 40 ℃硼水的饱和蒸汽绝对压力为7.37 kPa,根据ReD=
表1 计算参数表
参数数值参数数值qm/(kg·s-1)3537μ/(Pa·s)0000662β0419ReD821000ε10C06012ρ/(kg·m-3)99251Δp/MPa189
不考虑泵出口至孔板之间管线的压力损失(偏于保守)，可求得节流孔板处的压力值，p0=p1-Δp=1.8-1.89=-0.09 MPa。
可以看出，节流孔板处的压力远小于40 ℃硼水的饱和蒸汽绝对压力，此时将产生孔板气蚀，激起管线的振动和噪声。
3.2 CFD数值模拟
为了较真实地模拟孔板的加工情况、安装条件以及运行状态，采用计算流体动力学方法进行节流孔板压降分析，利用工程上广泛应用的k-ε方程湍流模型；对于动量方程和k-ε方程均采用二阶迎风格式离散，利用SIMPLE算法对压力场和速度场求解。将流体动力学的稳态连续性方程、动量方程、能量方程、k方程及耗散率ε方程写成统一的张量方程 [5-6]：
(3)
式中:φ为求解物理量;Dφ,Sφ分别为扩散系数及源项。
对于控制方程，各项表达式见表2。
表2 控制方程参数表达式
控制方程ϕDϕSϕ连续性方程100动量方程Uj(j=1，2，3)μ+μt-∂ρ∂xi+∂[(μ+μt)(∂Uj∂xi)]/∂xj能量方程TμPr+μtσT0K方程Kμ+μtσKG-ρεε方程εμ+μtσεεK(C1εG-C2ερε)
流体分子黏性μ、密度ρ均为温度的函数；湍流黏性μt=CμρK2/ε;k-ε方程中的G为湍流动能产生项
k-ε模型中的5个常数采用Launder-Spalding推荐的一组数据，即： Cμ=0.09；C1ε=1.44；C2ε=1.92；Ck=1.0；Cε=1.3，该组数据对湍流流动具有较强的适用性。
基于ANSYS Fluent软件，采用控制体积法离散控制方程，对流项采用高精度求解,数值模拟得到孔板附近典型的压力分布，如图3所示。图3中，纵轴数值单位为Pa。由图3分析可知，孔板附近处的压力为-0.29 MPa(考虑了沿程损失和热膨胀效应)，远小于该温度下硼水的饱和蒸汽绝对压力，流体中将会有蒸汽以气泡的形式逸出，气泡流到大于饱和蒸汽压力处将迅速破碎，产生气蚀，引起管线振动。
图3 压力分布图
综合以上分析，节流孔板气蚀是低压安注系统回流管线振动的根本原因。
根据原因分析及现场实际情况，采用多级孔板逐级降压，避免一次降压过大引起节流孔板气蚀。具体的处理措施为：分别在原有的2个单级孔板上游设置1个五级节流孔板，设计尺寸及压降见表3。
表3 五级孔板相关参数
孔板级数12345孔板孔径/mm40．647．049．452．055．9压降/MPa0．560．310．240．180．11
五级孔板的总降压为1.4 MPa, 忽略沿程损失和热膨胀效应，经过五级孔板后，压强由1.8 MPa(泵出口处)降低到0.4 MPa,根据现场实际情况及性能试验，调整原有2个单级孔板的孔径，由34.2 mm扩宽到42.2 mm，确保孔板压降满足系统要求。
经上述改造后，气蚀现象得到改善，管道振动峰值降低到7.7 mm/s，低于ASME OM-S/G-2007[7]的核级管道许可的最保守峰值振动速度值(12.7 mm/s)，满足系统安全可靠的运行要求。
本文从振动分析、孔板气蚀理论计算和计算流体动力学(CFD)方法方面，分析和确定了节流孔板的气蚀是引起低压安注回流管线振动的根本原因；改造方案的成功实施，验证了振动根本原因分析的正确性；为类似问题，提供了分析和处理的思路和依据。
参考文献：
[1] 张宝峰.多级节流孔板的设计计算[J]. 西北电力技术,2005(5)：27-30.
[2] 彭凤祥. 阀门气蚀研究[J].阀门,1994(4)：11-16.
[3] ISO.Measurement of Fluid Flow by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular Cross-section Conduits Running Full:Part1:ISO 5167-1—2003[S].2003:1-4.
[4] 国家标准化管理委员会. 用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量：第一部分 一般原理和要求：GB/T 2624—2006[S].北京：中国标准化出版社，2006：1-4.
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[6] 陶文铨.数值传热学.2版[M].西安：西安交通大学出版社，2001:176-350.
[7] ASME.Standards and Guides for Operation and Maintenance of Nuclear Power Plants:Part 3:ASME OM-S/G—2007[S]. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2007:29-41.
《管道技术与设备》编辑部
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Analysis and Management of Vibration Based on Pipes due to Orifice Cavitation
LI Yan-hui ,LI Ru-yuan, YANG Zhang
(Fujian Ningde Nuclear Power Co.,Ltd., Ningde 355200,China)
Abstract：Severe violent vibration problem was found in LHSI in a nuclear power station. Through the analysis of vibration measurement, theoretical calculate and numerical simulation, ensuring throttling orifice plate cavitation was the root cause of pipeline vibration. On the premise of guaranteeing system functions meet the design specification, in combination with the practical situation of the scene, the multistage orifice has been added and the original single stage orifice was broadened. After modification of return line, the pipeline vibration level was reduced to ensure the system running safely and reliably ,and the correctness of the analysis method was verified.
Key words： vibration; restriction orifice; cavitation; numerical simulation
中图分类号：TM62
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2016)05-0058-03
作者简介：李彦辉(1985—)，高级工程师，硕士研究生，从事振动故障诊断研究与分析。
E-mail:249802129@qq.com
收稿日期：2015-12-26
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