《核电厂常规岛管网振动疲劳管理导则》（征求意见稿）

1T/CNEAXXXX—XXXX核电厂常规岛管网振动疲劳管理导则本文件用于指导核电厂常规岛管网疲劳管理，包括疲劳风险评估方法、高风险管道振动疲劳测试和评估要求、管道振动治理措施、高风险管道的定期监督要求等。本文件适用于压水堆核电厂常规岛管网疲劳管理，其他堆型机组的管网可参照实施。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。NB/T25081-2018核电站管道系统振动测试与评估NB/T20612-2021核电厂小支管振动测试与评估T/CNEA***核电厂管道振动测试规程第2部分：非核级管道3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1流动诱导湍流flowinducedturbulence管道阀门、弯头、三通、变径等流动不连续位置产生的不稳定流动。3.2机械激励mechanicalexcitation旋转或往复设备振动对所连接管道产生的激励。3.3脉动pulsation管道内部流体的声学驻波激励。2T/CNEAXXXX—XXXX3.4高频声激励high-frequencyacousticexcitation减压装置（如泄压阀、调节阀或节流孔板）中高速流体冲击管壁产生的高频激励，常引起噪声和管壁弯曲振动。3.5空化cavitation当流体中存在足够的局部压降时（例如离心泵、阀门、孔板），液体内部形成气泡并坍塌，产生非常高的局部压力。3.6闪蒸flashing当流体中存在足够的局部压降（例如离心泵、阀门、孔板）或两种流体类型混合，当流体压力小于流体的饱和蒸汽压力时，流体会突然从液体变为蒸汽状态，这一过程称为闪蒸。3.7阀门快速操作引起的水锤water-hammerduetorapidvalveoperation由于（流体）速度突变（管道系统中，阀门的突然关闭或开启）、流体柱运动的突然开始或停止导致的冲击。3.8小支管smallborepipe公称直径小于等于50mm的管道。4符号下列符号适用于本文本。符号说明单位c声速m/sDext母管外径mmDint母管内径mmdint支管内径mmdext支管外径mmDtw直线型热电偶套管的外径mmD1热电偶套管底座外径mmD2热电偶套管尖端外径mmdtw热电偶套管内孔直径mm3T/CNEAXXXX—XXXXEml母管材料的弹性模量PaEtw热电偶套管材料的杨氏模量Pa结构固有频率HzFv流致振动系数无量纲FVF流体粘度影响系数无量纲K流体体积模量PaLtw从支撑点到热电偶套管尖端的长度m阶梯型热电偶套管上最大直径部分的长度mL2阶梯型热电偶套管上较小直径部分的长度mLdis振源或声源与焊接不连续位置之间的距离mLbrancℎ侧支管长度mLspan管道上两个支架之间的最大跨度mLup阀门到下一个重要直径变化处之间的管道长度mMw气体分子量g/molP静态压降PaP1减压装置上游压力PaP2减压装置下游压力PaPsℎut−in零流量时泵的压头PaPV蒸汽压力PaR通用气体常数=8314J/K.kmol雷诺数无量纲T母管壁厚mmt支管壁厚mmTe绝对温度KW质量流量Kg/sγ比热比=(Cp/Cv)无量纲ρ密度kg/m³v管道内介质的速度m/sμgas气体动态粘度Pa.ss总体要求通过定性分析，筛选确定需要进行振动疲劳管理的管道系统范围。对每个系统中的管道进行定量的振动疲劳失效可能性计算，确定高风险管道范围。对高风险管道进行振动测试和评估，根据振动量级进行管理分级。对于存在振动疲劳失效风险的管道，应进行减振治理。4T/CNEAXXXX—XXXX6管网振动疲劳分级管理6.1管道系统范围的确定进行管网振动疲劳分级之前，首先确定需要进行振动疲劳管理的管道系统范围。重点考虑与机组安全或可靠性相关的系统。管道系统范围的确定基于定性分析的方法进行，按照表1给出的9项要素分别进行判断，失效可能性分为：低、中、高三类。每项要素的失效可能性为“低”的，定性评估分值为0，该项要素的失效可能性为“中”或“高”的，定性评估分值为1。定性评估分值之和不为0的管道系统，需要纳入到进行振动疲劳分级管理的范围。表1管道系统振动疲劳风险的定性分析要素表低中高15000≤ρv<2否/是3否4否泵5否运行管理能够确保不发生旋转失速行6否/是7否/是8否/是9否是6.2管道系统失效可能性的定性评估管道系统的范围确定后，对该系统中所有管道进行失效可能性的定性评估。单根管道的振动疲劳失效可能性定性评估方法与管道系统的评估方法相同，也按照表1给出的9个要素进行分析。每项要素的失效可能性为“低”的，定性评估分值为0，该项要素的失效可能性为“中”或“高”的，定性评估分值为1。定性评估分值之和不为0的管道，需要进行振动疲劳失效可能性的定量评估。5T/CNEAXXXX—XXXX根据表1，确定每根管道的潜在激励机制，对于每一种潜在激励机制，按照6.3的要求开展振动疲劳失效可能性的定量评估。6.3单一管道的振动疲劳失效可能性（LOF）的定量评估6.3.1受流动诱导湍流激励的管道LOF定量评估计算管道内流体动能ρv2：对于单相流：2ρv2=(实际密度×实际速度)（1）对于多相流：2ρv2=(有效密度×有效速度)（2）其中：有效密度=总质量流量/总体积流量；有效速度=总体积流量/管道内部横截面积；总质量流量=∑（每种相的实际体积流量）×（该相的密度总体积流量=∑（每种相的实际体积流量）。计算流体粘度影响系数（FVF对于液体和多相流体，FVF等于1。气体系统的FVF通过以下公式计FVF=（3）根据管道设计图或现场实际勘测，确定管道上具有部分或全部位移约束作用的两个支架之间的最大管跨长度Lspan，按照表1的方法判断管道上支架布置类型。支架布置分为柔性、中等柔性、中等刚性和刚性四种，根据表2的方法确定每种支架布置类型的流致振动系数Fv。表1支架布置分类方法最大管跨长度支架布置类型Lspan≤−1.2346∗10−5Dxt+0.02Dext+2.0563刚性Lspan>−1.2346∗10−5Dxt+0.02Dext+2.0563Lspan≤−1.1886∗10−5Dxt+0.025262Dext+3.3601中等刚性Lspan>−1.1886∗10−5Dxt+0.025262Dext+3.3601Lspan≤−1.5968∗10−5Dxt+0.033583Dext+4.429中等柔性Lspan>−1.5968∗10−5Dxt+0.033583Dext+4.429柔性表2流致振动系数计算方法支架布置类型外径范围αβFv刚性60mm~762mm446187+646Dext+9.17∗10−4Dxt0.1ln(Dext)−1.3739α(Dext/T)β中等刚性60mm~762mm283921+370Dext0.1106ln(Dext)−1.501α(Dext/T)β中等柔性273mm~762mm150412+209Dext0.0815ln(Dext)−1.3269α(Dext/T)β60mm~219mm13.1−4.75∗10−3Dext+1.41∗10−5Dxt−0.132+2.28∗10−4Dext−3.72∗10−7DxtexpαDext/T)β6T/CNEAXXXX—XXXX柔性273mm762mm41.21Dext+49397α(Dext/T)β60mm~219mm1.32∗10−5Dxt−4.42∗10−3Dext+12.22expαDext/T)β]通过公式（4）确定流动诱导湍流引起管道振动疲劳的LOF值：LOF=ρv2∗FVF/Fv（4）6.3.2受机械激励管道的LOF定量评估管道与泵、压缩机等直接连接时，泵和压缩机的振动传递至管道，引起机械激励。LOF值的确定方法为：a）与往复式/容积式压缩机或泵连接的管道，LOF为0.9。与柴油机或燃气机连接的管道，LOF为0.8。b）与螺杆压缩机或泵连接的管道，LOF为0.6。与离心泵连接的管道，LOF为0.4。与LOF≥0.5的管道连接时，LOF值与所连接管道相同。6.3.3受脉动激励管道的LOF定量评估脉动激励的来源有：往复或容积式压缩机及泵、离心式压缩机旋转失速、封闭支管压力脉动。LOF值的确定方法为：a）往复或容积式压缩机及泵的功率小于112kW且排放压力小于3.5MPa时，连接管道LOF=0.4；否则LOF=1.0。b）离心式压缩机显示旋转失速特性，且在低流量下运行时，连接管道的LOF=1.0；否则LOF=0.4；无旋转失速特性时，连接管道的LOF=0.2;流体经过具有封闭端的支管时，会引起周期性流体激励，影响范围支管到主管上游和下游的第一个直径变化处（管道直径变化2倍以上）。这种情况下支管LOF的评估流程在附录A中的图A.1中给出。6.3.4高频声激励情况下管道LOF定量评估调节阀、减压阀、节流孔板等减压装置处可能产生高频声激励，高频声激励的影响范围较广，通常会传递至下游第一个容器处，因此需评估振源下游每个焊缝处的LOF值。高频声激励情况下管道焊缝的LOF评估流程在附录B中图B.1~图B.2给出。6.3.5阀门快速操作引起的水锤激励下管道LOF定量评估识别管线上所有需要执行快速动作功能的阀门，评估三种情况：干气阀打开、液体或多相阀关闭、液体或多相阀打开。a）干气阀快速打开导致动量突然变化，从而形成瞬态力。管道LOF=Fmax/Flim，其中：峰值力（KN）：Fmax=（5）载荷限值Flim(KN):Flim=(16.8×Ψ3−1.81×Ψ2+525×Ψ+25.3)×Dext×θ×π×Dt/(4×109)（6）7T/CNEAXXXX—XXXXb）液体或多相阀快速关闭，指阀门关闭时间小于（2Lup/c），这种情况下管道LOF计算方法在附录C图C.1中给出。c）液体或多相阀门打开产生动态力激励下，管道LOF=Fmax/Flim，其中：峰值力（KN）：Fmax=0.63W（7）载荷限值Flim(KN):Flim=(16.8×Ψ3−1.81×Ψ2+525×Ψ+25.3)×Dext×θ×π×Dt/(4×109)（8）6.3.6空化和闪蒸激励管道的LOF定量评估空化和闪蒸是相对局部的影响，所产生的能量可以沿着管道传输，激励源上游和下游各两个支架（指具有部分或全部位移约束的支架）范围，母管LOF值的计算方法在附录D中图D.1给出。6.3.7段塞流管道的LOF定量评估管道的激励机制为段塞流，LOF=1.0。6.4高风险管道的振动疲劳定量评估和分级管理对于LOF值大于0.3的管道，进行母管目视检查和附属小支管的振动测量。目视检查中主要检查母管的施工、几何结构、支撑有效性以及是否存在向相邻管道传递振动的风险。对于LOF值大于0.5的管道，应进行母管和附属小支管的振动测量，参考T/CNEA***标准执行。管道的振动测量及允许振动限值的计算方法，参照NB/T25081-2018标准执行。小支管的振动测量及允许振动限值的计算方法，参照NB/T20612-2021标准执行。对管道振动疲劳进行分级管理，根据其实际振动水平分为0级~3级，分级方法在附录E中图E.1给出。管理要求如下：（1）0级管道：不需采取措施；（2）1级管道：作为关注对象，进行定期目视检查，着重检查附属小支管振动水平和支架完整性；（3）2级管道：开展3C定期振动鉴定，评估管道振动水平，并根据振动水平重新进行分级。重要管道（如影响机组安全性或运行可靠性）进行减振治理；（4）3级管道：开展减振治理，降低管道振动水平，使分级符合0~2级分级准则。6.5管道振动控制措施管道振动措施通常考虑两个方面：消除激励机制和降低振动响应。针对不同的激振机制，可有实施更针对性的改进措施。对于流体诱导湍流激励，通常引起低频振动，主要减振措施有：a）从激励机制方面，可采用降低流速、流动平滑、使用高恢复系数的阀门等来降低激振能量，从而降低管道振动水平；8T/CNEAXXXX—XXXXb）从振动响应方面，可采用消除管道支架间隙以提高管道固有频率（管道有热膨胀要求时需综合评估）、安装粘滞型阻尼器、安装调谐动力吸振器、调整管道支吊架布置或增加位移约束型支架等措施，来降低管道振动水平。对于受机械激励的管道，主要减振措施有：a）从激励机制方面，措施主要有：改变机器运行条件以避开共振频率，或在机器与管道之间增加隔振装置、使用波纹管等，避免机器振动载荷向管道的传递；b）从振动响应方面，改变管道的质量或刚度以调整其固有频率，避免与激振频率重合，如改变管跨长度、改变管道直径等；c）从避免共振的角度，管道固有频率应避开激励频率的±20%。对于受脉动激励的管道，主要减振措施有：a）从激励机制方面，措施主要有：改变机器运行条件以避开共振频率（压缩机速度应避开最近声学固有频率的±20%改变管道长度以改变其声学固有频率，流动平滑，使用脉动罐来吸收压力脉动、使用孔板或消声器等；b）从振动响应方面，改变管道的质量或刚度以调整其固有频率，避免与激振频率重合，如改变管跨长度、改变管道直径等。对于受高频声激励的管道，减振措施有：a）从激励机制方面，措施主要有：降低质量流量、使用低噪声阀芯、增加危险区域与声源之间的距离（如将小支管移至远离声源的位置）、使用消声器等；b）从振动响应方面，措施主要有：增加局部管壁厚度可提高其局部刚度、消除声源附近的圆周不连续结构、使用加强环等。对于母管上的附属支管，措施主要有：移除支管、将支管移至振动低的位置、优化支管座结构等，降低支管振动水平。对于存在空化和闪蒸的管道，主要减振措施有：a）从激励机制方面，措施主要有：改变运行条件、更换阀门类型或阀内件、采用多级降压、局部进行流量平滑等；b）从振动响应方面，由于空化和闪蒸仅对阀门下游有限距离起作用，故加强下游母管道和小支管的支撑有助于降低管道振动水平。对存在水锤的管道，主要解决措施有：a）从激励机制方面，措施主要有：改变运行条件、使用安全阀进行泄压、使用缓冲罐降低流速等；b）从振动响应方面，措施主要有：减少弯头和异径管的数量以减少瞬态流动引起的流体动量变化影响、使用液压阻尼器抵抗流体速度快速变化引起的管道强制运动等。7高风险管道的定期监督对于振动等级为2级和3级的管道，应制定定期监督计划，监督内容应包括：管道振动测试和评估、管道上支架的检查、管道焊缝的检查。振动等级为3级的管道，定期监督的周期不应大于1个燃料循环。振动等级为2级的管道，定期监督的周期不应大于3个燃料循环。9T/CNEAXXXX—XXXX（规范性附录）封闭支管脉动激励评估流程图A.1规定了封闭支管脉动激励情况下，母管上每个封闭支管的LOF分析方法，母管的LOF取支管LOF的最大值。PVF=0.29否是否↓是0.316−0.083−0.065dintDint RePVF=0.29否是否↓是0.316−0.083−0.065dintDint RevcS1=0.42是S=2S1否S=S1S=0.467(dint/Dint)0.316PVF=0.29否是πpv2dcrit=1000400πpv2对母管上每个封闭支管封闭支管内径≥dcrit？管内流体雷诺数Re＞1.6×107？dint/Dint=1？FV=1000Sv/dintFS=0.206c/Lbrancℎ↓FV/FS≥1.0?PVF=1.0图A.1封闭支管脉动激励评估流程T/CNEAXXXX—XXXX（资料性附录）高频声激励情况下的LOF评估流程图B.1和图B.2为高频声激励情况母管LOF的分析方法。图B.1高频声激励情况的LOF评估T/CNEAXXXX—XXXX关注位置的PWL，log10N=470712.5155−63075.1242log10B+−B=a(PWL−0.112762s−0.001812s2+4.30727↓如果Dext/dext<10，则FLM1=−0.07+0.91(Dext/dext+−0.48Dext/dext)1.5+0.065(Dext/dext2连接是否为焊接支管台是↓连接是否为焊接支管台是N=N∗FLM1FLM2=0.29+0.09tanh[(PWL−17是否是FLM3=0.263+0.087tanh[(PWL−172)/2.9]否LOF=LOF=Lf是LOF=0.29图B.2高频声疲劳评估（确定单个焊接不连续的LOF）图B.2中，N是失效循环次数；FLMi，是第i阶段的疲劳寿命乘数。T/CNEAXXXX—XXXX（规范性附录）液体或多相阀快速关闭引起水锤的管道LOF计算作阀门。母管LOF值适用于阀门上游至进入容器或管道直径较大变化处，