核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)回油管線振動高分析與處理

魏盛輝（遼寧紅沿河核電有限公司,遼寧 大連 116319）

核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)回油管線振動高分析與處理

魏盛輝
（遼寧紅沿河核電有限公司,遼寧 大連 116319）

摘 要：核電廠一臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)在調(diào)試過程中出現(xiàn)回油管線振動高現(xiàn)象，存在管線斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。針對柴油機(jī)不同帶載負(fù)荷下管線的振動進(jìn)行監(jiān)測分析，得出管線設(shè)計(jì)不合理的結(jié)論。通過修改管線設(shè)計(jì)，并進(jìn)行應(yīng)力校核，有效降低了管線的振動水平，保證了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的可靠性。關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)；回油管線；振動

0 引言

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電站廠用電系統(tǒng)6.6 kV應(yīng)急交流供電母線的備用電源。當(dāng)廠用機(jī)組母線因廠外主電源失電或母線本身故障造成停電事件時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組確保應(yīng)急母線的供電，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的緊急安全停堆。某核電廠柴油發(fā)電機(jī)由ALSTOM和陜柴重工合作生產(chǎn)，額定功率6660KW。其中一臺柴油發(fā)電機(jī)的燃油回油管線在調(diào)試過程中出現(xiàn)振動劇烈的現(xiàn)象，如果管線在長時(shí)間振動高狀態(tài)下出現(xiàn)斷裂情況，燃油回油噴出會對人員、設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅。電廠技術(shù)人員針對柴油機(jī)不同帶載負(fù)荷下該管線進(jìn)行振動測量、分析，結(jié)合柴油機(jī)本體振動情況，對比分析，認(rèn)為回油管線振動高根本原因?yàn)椋汗芫€設(shè)計(jì)不合理，在柴油機(jī)本體振動帶動下，導(dǎo)致管線出現(xiàn)劇烈振動，后續(xù)通過修改管線設(shè)計(jì)，重新布置管線，最終解決了管線振動問題。

1 回油管線與柴油機(jī)本體振動數(shù)據(jù)采集

整段回油管線主要由三部分組成：和柴油發(fā)電機(jī)本體連接的小段碳鋼管、金屬軟管、通往回油箱的長段碳鋼管，碳鋼管外徑33.4mm，進(jìn)行振動測量時(shí)選取該回油管線上具有代表性的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行振動測量，分別測量其水平向（H向）和垂直向（V向）的振動，測點(diǎn)位置如圖1所示，布條包裹部分為金屬軟管段，分別對柴油發(fā)電機(jī)空載及各功率平臺進(jìn)行了振動測量，選取空載和75%功率平臺測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 管線振動數(shù)據(jù)表（單位：mm/s）

各功率平臺的測量結(jié)果顯示，空載時(shí)振動水平最高，同時(shí)最大值在3V處，達(dá)到96mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ASME關(guān)于管道振動的通用標(biāo)準(zhǔn)12.7mm/s， 3V測點(diǎn)的頻譜主要集中在24.9Hz及41.7Hz，另外16.6Hz、33.2Hz及49.9Hz頻率成分對總體振動也有一定貢獻(xiàn)（圖2），為了查找管線激振力來源，同時(shí)對柴油機(jī)本體振動進(jìn)行測量，測量結(jié)果顯示柴油機(jī)非驅(qū)動端靠近回油管線處振動值約為10mm/s，頻譜中（圖3）存在多個(gè)頻率尖峰，其中74.9Hz頻率尖峰最高，同時(shí)存在明顯的16.6Hz、24.9Hz、33.2Hz、41.7Hz和49.9Hz頻率成分，柴油機(jī)驅(qū)動端同一方向振動值約為7.8mm/s，頻譜中74.9Hz頻率尖峰仍然是最高幅值，也存在明顯的16.6Hz、24.9Hz、33.2Hz、41.7Hz 和49.9Hz頻率成分。

2 減振方案制訂

根據(jù)前面的振動測量結(jié)果及頻譜分析結(jié)合現(xiàn)場管線的結(jié)構(gòu)和布置情況，對管線振動高的原因分析如下：

（1）柴油機(jī)非驅(qū)動端、驅(qū)動端的振動頻率成分基本一致，幅值最高的頻率尖峰也相同，綜合管線上3V測點(diǎn)的頻譜分析，管線的主要振動頻率與柴油機(jī)本體上的頻率成分高度吻合，基本可以判斷回油管線振動主要來源于柴油機(jī)本體振動；

（2）該段管線從柴油機(jī)本體引出，中間有較長段金屬軟管，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，觸摸感知該段金屬軟管存在高頻沖擊振動，主要由于柴油機(jī)回油導(dǎo)致，加之軟管段較長，無法固定，軟管下端明顯比上端振動大，即一定程度上軟管對振動有放大作用；

（3）與軟管段末端連接的碳鋼管線走向上存在多個(gè)彎頭，加劇管內(nèi)回油沖擊，對管線振動也有一定貢獻(xiàn)，且整段管線由于軟管段的存在，整體剛度較低，振動響應(yīng)加大。

從振動機(jī)理上來說，振動主要與激振力和剛度有關(guān)，管線振動的激振力有兩方面：柴油機(jī)本體振動及回油管線內(nèi)流體沖擊。管線剛度方面：軟管段較長，缺乏固定，碳鋼管道彎頭較大，管線整體設(shè)計(jì)布置不合理導(dǎo)致剛度較低，振動響應(yīng)大。通過振動頻譜及管線結(jié)構(gòu)、功能分析，主要的改進(jìn)措施從兩方面考慮：

1）激振力方面，柴油機(jī)本體振動受其結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況影響很難改變，且本體振動在合格范圍之內(nèi)，所以想降低柴油機(jī)產(chǎn)生的振動激振力難度較大。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，燃油不可能完全燃燒，所以管線內(nèi)始終存在回油流體沖擊，如果能減少管線上彎頭，流體沖擊力將會減小，這是可以考慮改善的地方之一；

2）管線剛度方面，軟管段設(shè)計(jì)長度偏長，管線較長跨度范圍內(nèi)沒有約束，導(dǎo)致剛度較低。可以采取減少軟管段長度，在后續(xù)碳鋼管段增加固定支撐的措施來提高管線整體剛度。

后續(xù)廠家按照上述原因分析及處理建議修改管線設(shè)計(jì)及布置方案，修改前后管線圖如圖4、圖5（管線號L511）：

從前后管線布置圖對比可見：

管線最前端和L302連接處，EL由原來的+1964變?yōu)?2511，即該處布置高度提升了547mm，連接該接頭處上游為金屬軟管段，該接頭布置高度提升，對應(yīng)金屬軟管段長度將大幅減少；

L511水平段管線N向由原來的1455修改為N向1623，即與最前端的接頭在N方向上處于同一位置，現(xiàn)場來看，即將管線水平段向柴油機(jī)本體方向移動168mm，同時(shí)該段管線布置由之前的EL +1964變?yōu)镋L+2290，向上抬升326mm，對應(yīng)整段管線前端彎頭減少一個(gè)；

按照新的管線設(shè)計(jì)方案，金屬軟管段長度減少，前端彎頭減少1個(gè)，管線剛度有一定提升，管線內(nèi)部流體沖擊將會減小。

3 減振效果驗(yàn)證

按照柴油機(jī)廠家給出的正式方案現(xiàn)場實(shí)施完畢，回油管線的現(xiàn)場布置圖如圖6，再次啟動柴油機(jī)驗(yàn)證，測得該管線振動水平如下表2：

改造后最大振動水平對比改造前降低近50%，各點(diǎn)振動水平均有大幅降低，效果明顯。由于該管線為軟管和硬管連接的復(fù)合型管道，無法用確定的振動標(biāo)準(zhǔn)去衡量其振動是否合格，為進(jìn)一步確保管道在該振動水平下安全運(yùn)行，對管線進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析，考慮靜載荷及附加的動載荷，同時(shí)結(jié)合管線材質(zhì)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，計(jì)算結(jié)果表明：管線上計(jì)算得到的最大應(yīng)力低于管線的許用應(yīng)力，管線振動水平合格，可以安全可靠運(yùn)行。（具體計(jì)算過程此處不列出）

4 總結(jié)

柴油發(fā)電機(jī)回油管線振動高主要受運(yùn)行工況及自身結(jié)構(gòu)和布置影響，而這也是管道振動問題產(chǎn)生的兩大主要原因之一。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，從材料發(fā)生疲勞角度看，管道振動問題及其產(chǎn)生的不良后果將會越來越顯著，所以很有必要在管道的初始運(yùn)行階段控制其振動水平在一定范圍之內(nèi)，減少運(yùn)行過程中的疲勞累積，提高運(yùn)行安全穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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[2]黨錫淇,黃幼玲.工程中的管道振動問題[M].力學(xué)與實(shí)踐，1993,15(04):12-15.