核電應急柴油發電機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）

核電應急柴油發電機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：核電廠一臺應急柴油發電機在調試過程中出現回油管線振動高現象，存在管線斷裂的風險。針對柴油機不同帶載負荷下管線的振動進行監測分析，得出管線設計不合理的結論。通過修改管線設計，并進行應力校核，有效降低了管線的振動水平，保證了應急柴油發電機的可靠性。關鍵詞：柴油發電機；回油管線；振動

0 引言

應急柴油發電機組是核電站廠用電系統6.6 kV應急交流供電母線的備用電源。當廠用機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，柴油發電機組確保應急母線的供電，實現反應堆的緊急安全停堆。某核電廠柴油發電機由ALSTOM和陜柴重工合作生產，額定功率6660KW。其中一臺柴油發電機的燃油回油管線在調試過程中出現振動劇烈的現象，如果管線在長時間振動高狀態下出現斷裂情況，燃油回油噴出會對人員、設備構成嚴重威脅。電廠技術人員針對柴油機不同帶載負荷下該管線進行振動測量、分析，結合柴油機本體振動情況，對比分析，認為回油管線振動高根本原因為：管線設計不合理，在柴油機本體振動帶動下，導致管線出現劇烈振動，后續通過修改管線設計，重新布置管線，最終解決了管線振動問題。

1 回油管線與柴油機本體振動數據采集

整段回油管線主要由三部分組成：和柴油發電機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，進行振動測量時選取該回油管線上具有代表性的四個點進行振動測量，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，分別對柴油發電機空載及各功率平臺進行了振動測量，選取空載和75%功率平臺測量數據統計如表1。

表1 管線振動數據表（單位：mm/s）

各功率平臺的測量結果顯示，空載時振動水平最高，同時最大值在3V處，達到96mm/s，遠遠超過ASME關于管道振動的通用標準12.7mm/s， 3V測點的頻譜主要集中在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（圖2），為了查找管線激振力來源，同時對柴油機本體振動進行測量，測量結果顯示柴油機非驅動端靠近回油管線處振動值約為10mm/s，頻譜中（圖3）存在多個頻率尖峰，其中74.9Hz頻率尖峰最高，同時存在明顯的16.6Hz、24.9Hz、33.2Hz、41.7Hz和49.9Hz頻率成分，柴油機驅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

根據前面的振動測量結果及頻譜分析結合現場管線的結構和布置情況，對管線振動高的原因分析如下：

（1）柴油機非驅動端、驅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測點的頻譜分析，管線的主要振動頻率與柴油機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本體振動；

（2）該段管線從柴油機本體引出，中間有較長段金屬軟管，柴油機運行時，觸摸感知該段金屬軟管存在高頻沖擊振動，主要由于柴油機回油導致，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彎頭，加劇管內回油沖擊，對管線振動也有一定貢獻，且整段管線由于軟管段的存在，整體剛度較低，振動響應加大。

從振動機理上來說，振動主要與激振力和剛度有關，管線振動的激振力有兩方面：柴油機本體振動及回油管線內流體沖擊。管線剛度方面：軟管段較長，缺乏固定，碳鋼管道彎頭較大，管線整體設計布置不合理導致剛度較低，振動響應大。通過振動頻譜及管線結構、功能分析，主要的改進措施從兩方面考慮：

1）激振力方面，柴油機本體振動受其結構及運行工況影響很難改變，且本體振動在合格范圍之內，所以想降低柴油機產生的振動激振力難度較大。柴油機運行時，燃油不可能完全燃燒，所以管線內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，軟管段設計長度偏長，管線較長跨度范圍內沒有約束，導致剛度較低。可以采取減少軟管段長度，在后續碳鋼管段增加固定支撐的措施來提高管線整體剛度。

后續廠家按照上述原因分析及處理建議修改管線設計及布置方案，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變為+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，現場來看，即將管線水平段向柴油機本體方向移動168mm，同時該段管線布置由之前的EL +1964變為EL+2290，向上抬升326mm，對應整段管線前端彎頭減少一個；

按照新的管線設計方案，金屬軟管段長度減少，前端彎頭減少1個，管線剛度有一定提升，管線內部流體沖擊將會減小。

3 減振效果驗證

按照柴油機廠家給出的正式方案現場實施完畢，回油管線的現場布置圖如圖6，再次啟動柴油機驗證，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合型管道，無法用確定的振動標準去衡量其振動是否合格，為進一步確保管道在該振動水平下安全運行，對管線進行應力計算分析，考慮靜載荷及附加的動載荷，同時結合管線材質進行應力強度校核，計算結果表明：管線上計算得到的最大應力低于管線的許用應力，管線振動水平合格，可以安全可靠運行。（具體計算過程此處不列出）

4 總結

柴油發電機回油管線振動高主要受運行工況及自身結構和布置影響，而這也是管道振動問題產生的兩大主要原因之一。隨著運行時間的增加，從材料發生疲勞角度看，管道振動問題及其產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行階段控制其振動水平在一定范圍之內，減少運行過程中的疲勞累積，提高運行安全穩定性。

參考文獻：

[1]沈松泉.壓力管道安全技術[M].南京:東南大學出版社,2000：500-501.

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