火電廠高壓給水管道振動的診斷與治理

胡鑫，劉明

（華電電力科學研究院，杭州 310030）

火電廠高壓給水管道振動的診斷與治理

胡鑫，劉明

（華電電力科學研究院，杭州 310030）

結合某電廠高壓給水管道的振動問題，從機械系統的振動方程入手，綜合宏觀檢查、振動測試、仿真分析等研究手段，應用剛性限位、液壓阻尼器、黏滯液阻尼器等減振裝置，建立了一套理論嚴謹、現實可操作性強、實用效果明顯的管道控制研究方法，為火電廠管道振動治理問題提供了可供參考的經驗。

高壓給水管道；振動；測試；阻尼器

0 引言

隨著火電廠機組容量和參數的不斷提高，汽水管道振動的危害越來越明顯，發生振動的管道系統也越來越普遍，管道振動已成為影響電廠安全運行的重大隱患之一。因此，開展火電廠管道振動診斷與控制技術研究，有著廣泛的實際需求和重要的安全價值。

火電廠高壓給水管道作為四大管道之一，是電廠汽水系統循環連通的重要組成，其主要特點是管徑粗、管內流體介質壓力大、溫度高，因而高壓給水管道一旦發生振動，其危害及處理難度都高于一般小管道的振動。

1 管道振動控制方法

管道系統的振動一般是作用在管系上的周期性激振力引起的受迫振動，按照經典的振動理論，一個機械系統的振動方程可以表述為［1］：

式中：［M］為質量矩陣；［c］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛x｝為位移向量；｛F（t）｝為廣義載荷向量。

引起管道振動的原因主要有管內介質脈動、紊流引起的振動、設備缺陷引起的振動、水錘引起的振動等［2］。能夠找到管系振動的根本原因并順利解決為最優方案，但是很多情況下的管系振動是多重因素影響下的綜合結果，很難明確確認振動原因，或是由于主設備的固有特性無法更改，使得期望從根本上消除或減小激振力來消除或緩解管道振動的方法無法實現，在這種狀態下只能從管系結構本身入手，找到解決問題的辦法。

由式（1）所示的振動方程可知，從管系自身結構特性來看，影響管系振動特性的就是系統質量、系統阻尼以及系統剛度。現役電廠中管道型號、走向等都已確定，重新改變管道質量分布的工作量較大、經濟性較差，因此對于現役管道的減振一般不從質量矩陣方面考慮，可供選擇的振動控制思路主要有以下2個方面。

（1）改變系統的阻尼。通過在適當位置加裝阻尼器的方式，耗散管系結構振動的能量，降低振動量值，減少結構的動力響應，從而達到緩解管道振動的目的［3］。

（2）改變系統的剛度。系統的固有頻率與振動特性息息相關，當外在激振頻率與系統固有頻率相接近時，容易產生共振。此外如果管系基頻過低（管系柔性過大），可能即使避開了激振頻率，受到激振力作用后仍會導致管系振動［4］。因而DL/T 5054—1996《火力發電廠汽水管道設計技術規定》中明確規定管道一階固有頻率應大于3.5Hz［5］。管道系統的固有頻率與其剛度特性有直接關系，一般剛度越大，其對應的固有頻率越高，因而可通過加裝限位裝置的方式改變管系剛度來調節系統固有頻率，以避開激振頻率或提高管系基頻。

2 振動控制研究技術路線

建立管道振動診斷與治理研究技術路線如圖1所示，主要研究內容包括以下幾個方面。

（1）資料收集、宏觀檢查：包括管道系統布置、管道材料與規格、支吊架布置與類型、運行參數、介質類型與流速等相關資料收集，以及現場管道運行狀態、支吊架性能狀態的宏觀檢查。

（2）振動測試：在機組運行狀態下采用便攜式振動測試儀測定振動管道的振動頻率、振幅等參數，初步了解管道振動形態、振動等級等。同時也為后面的仿真分析提供對比參考數據。

圖1 技術路線

（3）仿真分析：采用管系應力分析軟件進行管系靜態應力校核和動態仿真分析。管系靜態應力校核目的是確保管系在實際工作狀態下各部位應力在允許范圍之內，以便判斷管道系統布置與設計的符合性、支吊架布置與設計的符合性等。管系動態仿真分析主要用于分析管系振動模態及頻率，以確定管系設計、支吊架布置與選型是否合理。

實際動態仿真分析過程中需參照振動測試結果不斷修正分析模型，直到仿真分析結果與實際測試結果相吻合。并在此經修正正確后的計算模型基礎上，考慮加設適當的減振裝置，驗證多種減振方案，以便選擇最佳的處理方法，從而達到改變管系模態及頻率分布、降低管道振幅、消除管道振動危害的目的。

（4）處理方案：對于在役汽水管道系統而言，管道規格、布置走向及支撐方式都已確定。通過改變管道走向、管徑、壁厚的方式不僅施工工作量大、周期長、經濟性差，而且也無必要。因而最合適、經濟的減振方法就是在保證管系應力合格的前提下，不改變原來支吊架的位置，僅在適當位置加裝適當減振裝置。常用的減振裝置主要包括剛性限位、液壓阻尼器和耗能型阻尼器，常用減振裝置特點對比見表1。

表1 常用減振裝置特點對比

（5）方案實施：在機組停機檢修時，按照處理方案加裝適當的減振裝置，同時將管系中工作性能異常的支吊架進行調整或更換，確保施工質量滿足方案中提出的各項技術要求。

（6）效果評估測試：機組重新啟動后，采用振動測試儀對管道振動情況再次進行測試，與處理前的測試結果進行對比，同時參照DL/T 292—2011《火力發電廠汽水管道振動控制導則》［6］評價判斷處理后的管道振動情況是否滿足要求。

3 工程實例

某電廠2×330 MW亞臨界機組高壓給水管道在機組運行時鍋爐側存在明顯振動現象，發生振動的管段主要位于省煤器進口端水平段與相鄰的豎直管段（＃32吊架至＃40吊架之間），具體管道（鍋爐側）布置如圖2所示。管道振動主要以水平方向的低頻振動為主。隨著機組負荷的升高和運行時間的增長，管道振動越來越顯著，嚴重影響機組的安全運行。

圖2 高壓給水管道（鍋爐側）布置

該高壓給水管道（隔離閥至省煤器入口段）規格，?406.4 mm×31 mm；材質，15NiCuMoNb5－6－4；設計溫度，279.7℃；設計壓力，24.07 MPa。對該高壓給水管系進行靜力校核計算顯示，管道支吊架選型合理、吊點荷載及熱位移與原設計計算一致，管系應力合格。

在靜態分析模型的基礎上將主要振動區域管道單元細化，對其進行模態分析，詳細分析結果如圖3所示。

圖3 高壓給水管道模態分析結果

綜上所述模態計算結果可知，整個模型的前三階振型都位于高壓給水管道的主要振動管段，振型形態都呈現為水平向振動，且對應自振頻率均較小。對比現場管道振動測試結果可知，現場管道振動情況與仿真分析所得到的前三階振型與頻率基本相符。說明該高壓給水管道的振動除了內部流體作用影響外，主要還是管道原設計水平向剛性不足造成的。

采用上述動態仿真分析模型，針對管道原設計水平向剛性不足原因，驗證多種減振裝置加裝方案，提高管系剛度，避開對低階激振力的響應，以減小管道的振動。最終結合現場安裝條件，選擇綜合加裝剛性限位、液壓阻尼器、黏滯液阻尼器這3種減振裝置，具體方案如下。加裝后的管道支吊架布置如圖4所示。

圖4 高壓給水管道布置（更改后）

（1）在＃38吊架與＃39吊架之間管段上加裝y向限位。

（2）在＃37吊架與＃38吊架之間水平管段上加裝黏滯液阻尼器。

（3）在＃36吊架與附近彎頭之間的管段上加裝x向液壓阻尼器。

（4）在＃33吊架與附近彎頭之間的管段上加裝y向液壓阻尼器。

考慮加裝減振裝置后的管道模態分析結果如圖5所示，計算結果顯示加裝減振裝置后，原振動管段的自振頻率提高、振型幅度減小，管系剛度明顯加強。

圖5 加裝減振裝置后高壓給水管道模態分析結果

為準確地掌握管道減振效果，在機組重啟后采用無線動態數據采集儀對管道振動情況進行了現場測試，并與處理前的管道振動測試結果進行對比。測試過程中為便于傳感器的固定，測點均布置在支吊架的管夾上（測點編號即編為對應的吊架編號），為保證測試數據的真實可靠性，1個測點1個方向測量3～4組數據，取其中振動特性具有代表性的1組數據進行處理。主要振動區域的部分典型測點測試對比結果見表2。

表2 處理前后管道振動測試結果對比

由測試結果可知，處理前該管道水平向振動明顯，管道最大振幅為6.0 mm左右，振動頻率主要分布在1～2 Hz之間。依據DL/T 292—2011《火力發電廠汽水管道振動控制導則》計算該管道的最大峰值振動速度為30.9 mm/s左右，嚴重超過標準要求。加裝減振裝置后，減振效果明顯，振動幅度明顯減小，最大振幅僅為0.5 mm左右，計算所得最大峰值振動速度為3.6 mm/s左右，符合標準［6］要求。

4 結束語

綜合應用多種減振裝置，對某電廠330 MW機組高壓給水管道進行了振動治理，將其管道最大峰值振動速度從30.9 mm/s左右降低到3.6 mm/s左右，使之滿足了相關規范要求，消除了管道振動危害。本文從機械系統的振動方程入手，結合火電廠管道工作特性，通過宏觀檢查、振動測試、仿真分析等研究手段建立了一套管道振動控制研究方法，為火電廠管道振動治理問題提供了可供參考的經驗。

目前設計規范中規定［5］：管道一階固有頻率應大于3.5 Hz，即單跨管道按簡支梁計算，其最大撓度值不應大于2.62 mm。該規定實際只對管道豎直方向剛度有所要求，并未考慮到管道水平方向的剛度問題，因而造成目前管道振動故障多發生在水平方向，建議以后在設計階段對管道三向剛度問題進行全面的考慮。

［1］劉延柱，陳立群，陳文良.振動力學［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］趙星海，翟松，彭龍飛，等.火電廠管系振動原因分析及減振方法［J］.鍋爐技術，2013，44（1）：67－71.

［3］刑景偉，趙星海，辛國華.電廠汽水管道振動原因分析及解決對策［J］.能源研究與信息，2012，28（1）：18－23.

［4］唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京：中國石化出版社，2009.

［5］火力發電廠汽水管道設計技術規定：DL/T 5054—1996［S］.

［6］火力發電廠汽水管道振動控制導則：DL/T 292—2011［S］.

（本文責編：齊琳）

TM 621.4

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1674－1951（2016）10－0037－03

胡鑫（1984—），男，浙江杭州人，工程師，從事管道檢驗和應力計算分析、管道振動分析與治理及支吊架優化調整等方面的工作（E-mail：xin－hu＠chder.com）。

2016－09－12；

2016－09－26