核電站發(fā)生事故時，設(shè)計要求隔離閥必須在5s關(guān)閉內(nèi)部，將核島與外界隔離，避免輻射泄漏。對于大流量系統(tǒng)，快速關(guān)閉隔離閥會產(chǎn)生水錘，并對閥門和管道產(chǎn)生動力。在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮水錘的影響。

2水錘原理

當(dāng)管道中的閥門因某種原因移動時，流體會發(fā)生瞬態(tài)變化，閥門上下游的壓力也會發(fā)生變化。如果閥門移動速度快，則會產(chǎn)生壓力突變，壓力突變沿管道以聲波的形式傳播，形成水錘。管道內(nèi)的聲速a、水錘周期T以及流體的壓力突變幅值Λp為

   （1）

   （2）

   （3）

式中 a———管道內(nèi)的聲速，m/s

T———水錘周期，s

Λp———閥門快速關(guān)閉產(chǎn)生的直接水錘壓力，MPa

K———體積彈性模量，MPa

ρ———流體密度，kg/m³

D———流體直徑，mm

e———管道壁厚，mm

Δυ———流速變化，m/s

軸向固定管道一端

軸向固定全管

管道自由

當(dāng)管壁較厚時，可以忽略不計。

3 水錘負(fù)荷計算

當(dāng)閥門完全關(guān)閉時間小于水錘半周期時，水錘為直接水錘，載荷較大。當(dāng)閥門完全關(guān)閉時間大于水錘半周期時，水錘為間接水錘，載荷較小。

根據(jù)水錘的現(xiàn)象和理論公式，水錘負(fù)荷計算有圖解、特征線解和有限差分法。水錘專用計算軟件大多采用特征線解，本文采用通用熱流體分析軟件RELAP5計算，RELAP5.水錘分析可獲得接近二階的計算精度，RELAP可分析水和蒸汽兩相流體，處理空氣泡、閃蒸、氣泡和冷凝潰瘍。

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3.1 理論理解對比

為驗證RELAP使用計算的合理性RELAP5.對簡單水錘模型進行分析，結(jié)果與理論值進行比較。以閥門快關(guān)模型(圖1)為例，計算水錘載荷。管道型號為355.6×20mm，三段管的長度分別為4.878m、9.3m和3.878m，上游流體的壓力為5.651MPa，溫度為493.15K，流速為3.58m/s。

圖1 閥門快關(guān)模型

上游閥門快速關(guān)閉，下游管道產(chǎn)生的水錘壓力為3.83MPa。使用HYTRAN計算水錘(圖2)的程序。RELAP5程序建立流體模型，得到計算結(jié)果（圖3）。對比理論計算、HYTRAN軟件計算和RELAP計算結(jié)果(表1)，RELAP5的計算結(jié)果與理論論解HYTRAN計算結(jié)果一致，RELAP5用于更準(zhǔn)確地分析水錘。

圖2 HYTRAN水錘載荷

圖3 RELAP5水錘載荷

3.2 工程實例分析

以某核電站用主給水系統(tǒng)隔離閥快關(guān)工況為例，計算水錘載荷。根據(jù)管系ISO圖建立RELAP5分析模型。泵上游入口為恒壓源(6.0MPa），流體出口為蒸汽發(fā)生器，簡化為恒壓源(5).5MPa）。

表1

從穩(wěn)態(tài)分析中獲得主給水管的穩(wěn)定流動狀態(tài)，檢查流動參數(shù)與設(shè)計值的誤差，誤差在工程允許范圍內(nèi)。然后進行瞬態(tài)分析，設(shè)置隔離閥的關(guān)閉曲線（圖4），獲得瞬態(tài)壓力分布，處理流體狀態(tài)參數(shù)后獲得水錘載荷。與每個管段的水錘載荷相比，最長管段的水錘載荷最大（圖5）。由于水錘周期短，隔離閥關(guān)閉產(chǎn)生間接載荷。與直接水錘相比，間接水錘載荷較小，但峰值仍為12e3N，波動峰值約8e3N，閥門兩側(cè)壓差最大3MPa。

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1.修改前 2.修改后

圖4 隔離閥關(guān)閉曲線

1.修改前 2.修改后

圖5 主給水隔離閥關(guān)閉時，主給水管道上最大負(fù)荷

4 降低水錘載荷方法

減少水錘負(fù)荷的方法包括延長閥門關(guān)閉時間和增加緩沖裝置。由于系統(tǒng)要求的限制，閥門關(guān)閉時間不能延長，增加緩沖裝置會增加系統(tǒng)整體故障的可能性。為了減少水錘負(fù)荷，需要考慮調(diào)整閥門關(guān)閉曲線。閥門關(guān)閉過程的不同階段對水錘負(fù)荷的影響不同，流道截面積變化率小，負(fù)荷小。在完全關(guān)閉前，面積變化率較大，關(guān)閉速度過快會產(chǎn)生較大的負(fù)荷。因此，為了降低水錘負(fù)荷，應(yīng)提高初始階段的閥門關(guān)閉速度，并在完全關(guān)閉前降低閥門關(guān)閉速度。調(diào)整后流體產(chǎn)生的水錘負(fù)荷發(fā)生變化，關(guān)閉后閉過程中產(chǎn)生的峰值略有降低。

5結(jié)語

建立了使用RELAP5.分析水錘的方法論證了方法的合理性，計算了核電站主給水隔離閥快速關(guān)閉引起的水錘負(fù)荷，調(diào)整了閥門關(guān)閉曲線，降低了水錘負(fù)荷。