在核電站發生事故的情況下，設計要求隔離閥必須在5s內關閉，將核島與外界隔離，避免輻射泄漏。對于大流量系統，隔離閥快速關閉會產生水錘，對閥門和管道產生動力作用，系統設計中必須考慮水錘產生的影響。

    2 水錘原理

    當管路中的閥門因某種原因動作時，使得流體發生瞬態變化，閥門上下游壓力隨之改變。若閥門動作速度很快則產生壓力突變，壓力突變以聲波的形式沿管道傳播，形成水錘。管道內聲速a、水錘周期T和流體的壓力突變幅值Λp為

        （1）

        （2）

        （3）

    式中    a———管道內聲速，m/s

    T———水錘周期，s

    Λp ———閥門快速關閉產生的直接水錘壓力，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———流體速度變化，m/s

    管道一端軸向固定

    全管軸向固定

    管道自由

    當管壁較厚時，可忽略不計。

    3 水錘載荷計算

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

    根據水錘的現象和理論公式，水錘載荷計算有圖解法、特征線解法和有限差分法。水錘專用計算軟件大部分使用特征線解法，本文使用通用熱工流體分析軟件RELAP5計算，RELAP5用于水錘分析可以得到接近二階的計算精度，并且RELAP5能夠分析水和蒸汽兩相流體，處理空泡、閃蒸、氣泡和冷凝潰滅等問題。

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    3.1 理論解對比

    為驗證RELAP5計算的合理性，使用RELAP5分析簡單的水錘模型，其結果與理論值對照。以閥門快關模型（圖1）為例，計算水錘載荷。管道型號為355.6×20mm，三段管道的長度分別為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 閥門快關模型

    上游閥門快速關閉，根據式（3） 得到下游管道產生的水錘壓強為3.83MPa。使用HYTRAN程序計算水錘（圖2）。使用RELAP5程序建立流體模型，得到計算結果（圖3）。對比理論計算、HYTRAN軟件計算和RELAP5計算的結果（表1），RELAP5的計算結果與理論解吻合，與HYTRAN的計算結果一致，RELAP5用于分析水錘比較準確。

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隔離閥快關工況為例，計算水錘載荷。根據管系ISO圖建立RELAP5分析模型。泵上游入口為恒壓源（6.0MPa） ，輸入泵的流量－揚程特性，流體出口為蒸汽發生器，簡化為恒定壓力源（5.5MPa） 。

表1 水錘計算結果對比

    從穩態分析得到主給水管穩定的流動狀態，核對流動參數與設計值的誤差，誤差在工程允許范圍內。再進行瞬態分析，設置隔離閥的關閉曲線（圖4） ，得到瞬態壓力分布，處理流體狀態參數后得到水錘載荷。對比各管段的水錘載荷，最長管段的水錘載荷最大（圖5）。由于水錘周期很短，隔離閥關閉產生間接載荷，與直接水錘相比，間接水錘載荷較小，不過載荷峰值仍有12e3N，波動峰值約8e3N，閥門兩邊壓差最大3MPa。

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1.修改前 2.修改后

圖4 隔離閥關閉曲線

1.修改前 2.修改后

圖5 主給水隔離閥快關時主給水管線上的最大載荷

    4 降低水錘載荷方法

    降低水錘載荷的方法有延長閥門關閉時間和增加緩沖裝置等方法。受系統要求限制，閥門關閉時間不能延長，增加緩沖裝置會增大系統整體的失效概率。為降低水錘載荷，需考慮調整閥門關閉曲線。閥門關閉過程的不同階段，對水錘載荷大小的影響不同，起始階段流道截面積變化率小，載荷較小。完全關閉之前面積變化率大，關閉速度過快會產生較大載荷。因此若要降低水錘載荷應提高起始階段的閥門關閉速度，降低完全關閉前的閥門關閉速度。調整后流體產生的水錘載荷發生變化，關閉后的壓力振蕩減小，關閉過程產生的峰值稍有降低。

    5 結語

    建立了使用RELAP5分析水錘的方法，論證了方法的合理性，結合工程實際計算了核電站主給水隔離閥快速關閉引起的水錘載荷，調整閥門關閉曲線，降低了水錘載荷。