核电站发生事故时，设计要求隔离阀必须在5s关闭内部，将核岛与外界隔离，避免辐射泄漏。对于大流量系统，快速关闭隔离阀会产生水锤，并对阀门和管道产生动力。在系统设计中必须考虑水锤的影响。
2水锤原理
当管道中的阀门因某种原因移动时，流体会发生瞬态变化，阀门上下游的压力也会发生变化。如果阀门移动速度快，则会产生压力突变，压力突变沿管道以声波的形式传播，形成水锤。管道内的声速a、水锤周期T以及流体的压力突变幅值Λp为
（1）
（2）
（3）
式中 a———管道内的声速，m/s
T———水锤周期，s
Λp———阀门快速关闭产生的直接水锤压力，MPa
K———体积弹性模量，MPa
ρ———流体密度，kg/m3
D———流体直径，mm
e———管道壁厚，mm
Δυ———流速变化，m/s
轴向固定管道一端
轴向固定全管
管道自由
当管壁较厚时，可以忽略不计。
3 水锤负荷计算
当阀门完全关闭时间小于水锤半周期时，水锤为直接水锤，载荷较大。当阀门完全关闭时间大于水锤半周期时，水锤为间接水锤，载荷较小。
根据水锤的现象和理论公式，水锤负荷计算有图解、特征线解和有限差分法。水锤专用计算软件大多采用特征线解，本文采用通用热流体分析软件RELAP5计算，RELAP5.水锤分析可获得接近二阶的计算精度，RELAP可分析水和蒸汽两相流体，处理空气泡、闪蒸、气泡和冷凝溃疡。
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3.1 理论理解对比
为验证RELAP使用计算的合理性RELAP5.对简单水锤模型进行分析，结果与理论值进行比较。以阀门快关模型(图1)为例，计算水锤载荷。管道型号为355.6×20mm，三段管的长度分别为4.878m、9.3m和3.878m，上游流体的压力为5.651MPa，温度为493.15K，流速为3.58m/s。
图1 阀门快关模型
上游阀门快速关闭，下游管道产生的水锤压力为3.83MPa。使用HYTRAN计算水锤(图2)的程序。RELAP5程序建立流体模型，得到计算结果（图3）。对比理论计算、HYTRAN软件计算和RELAP计算结果(表1)，RELAP5的计算结果与理论论解HYTRAN计算结果一致，RELAP5用于更准确地分析水锤。
图2 HYTRAN水锤载荷
图3 RELAP5水锤载荷
3.2 工程实例分析
以某核电站用主给水系统隔离阀快关工况为例，计算水锤载荷。根据管系ISO图建立RELAP5分析模型。泵上游入口为恒压源(6.0MPa），流体出口为蒸汽发生器，简化为恒压源(5).5MPa）。
表1
从稳态分析中获得主给水管的稳定流动状态，检查流动参数与设计值的误差，误差在工程允许范围内。然后进行瞬态分析，设置隔离阀的关闭曲线（图4），获得瞬态压力分布，处理流体状态参数后获得水锤载荷。与每个管段的水锤载荷相比，最长管段的水锤载荷最大（图5）。由于水锤周期短，隔离阀关闭产生间接载荷。与直接水锤相比，间接水锤载荷较小，但峰值仍为12e3N，波动峰值约8e3N，阀门两侧压差最大3MPa。
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1.修改前 2.修改后
图4 隔离阀关闭曲线
1.修改前 2.修改后
图5 主给水隔离阀关闭时，主给水管道上最大负荷
4 降低水锤载荷方法
减少水锤负荷的方法包括延长阀门关闭时间和增加缓冲装置。由于系统要求的限制，阀门关闭时间不能延长，增加缓冲装置会增加系统整体故障的可能性。为了减少水锤负荷，需要考虑调整阀门关闭曲线。阀门关闭过程的不同阶段对水锤负荷的影响不同，流道截面积变化率小，负荷小。在完全关闭前，面积变化率较大，关闭速度过快会产生较大的负荷。因此，为了降低水锤负荷，应提高初始阶段的阀门关闭速度，并在完全关闭前降低阀门关闭速度。调整后流体产生的水锤负荷发生变化，关闭后闭过程中产生的峰值略有降低。
5结语
建立了使用RELAP5.分析水锤的方法论证了方法的合理性，计算了核电站主给水隔离阀快速关闭引起的水锤负荷，调整了阀门关闭曲线，降低了水锤负荷。
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