工作變形分析方法在發(fā)電廠汽水管道振動治理中的應用

陳海鑫，林 磊，徐德城

（1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司，浙江 寧波 315208；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

發(fā)電技術

工作變形分析方法在發(fā)電廠汽水管道振動治理中的應用

陳海鑫1，林 磊2，徐德城2

（1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司，浙江 寧波 315208；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

通過工作變形分析方法處理振動測試數(shù)據(jù)，可獲得管道運行過程中時域和頻域內的實際變形特征，以此更有針對性地進行振動治理。以浙江某發(fā)電廠給水管道振動治理為案例，采用工作變形分析方法對測試數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)管道上存在的支吊架松動和失效現(xiàn)象，根據(jù)管道實際變形特征，制定了減振治理措施，并采用模擬計算驗證了此方法的有效性。

振動測試；工作變形分析；給水管道；振動治理

0 引言

汽水管道系統(tǒng)振動是火電廠日常生產運行中的一種常見現(xiàn)象。振動會導致管道產生持續(xù)的交變應力，過大的交變應力積累到一定程度會產生振動疲勞裂紋，特別是在焊縫等結構薄弱位置。管道振動疲勞失效是一種脆性斷裂，斷裂發(fā)生前結構沒有明顯的塑性變形，這種突發(fā)的斷裂將給安全生產帶來極大隱患，甚至導致機組停機及人員傷亡，造成巨大經(jīng)濟損失。因此，在管道振動疲勞失效前就能發(fā)現(xiàn)其變形較大的位置及振動特征并提出針對性的治理方案非常必要。

1 振動治理理論及方法

引起管道系統(tǒng)振動的主要原因可以分為兩大類[1]：系統(tǒng)外激勵和系統(tǒng)本身所致。系統(tǒng)外激勵主要包括風載荷、地震載荷及所連接轉動設備振動等；系統(tǒng)本身原因主要包括管道內部流體、布局設計不合理等[2]。

消除汽水管道振動的方法包括：改變管道內流體狀態(tài)、改變管道布置、改變管道結構剛度、阻尼等[3]。改變管道內流體狀態(tài)涉及到機組運行工況，改變管道布局難度較大。所以通常選擇改變管道結構剛度、阻尼的方法進行振動治理。由于改變管道阻尼不影響管系的靜應力分布，且安裝維護也較為方便，故通過添加阻尼器來減緩管道系統(tǒng)振動是一種較好的振動治理方法。

1.1 阻尼對結構動特性的影響

單自由度系統(tǒng)的運動方程如式（1）所示[4]：

從圖1可以看出，動力放大系數(shù)D與頻率比β和阻尼比ξ相關。當頻率比數(shù)值在1附近時，動力放大系數(shù)D取最大值，此時結構振動幅值最大，發(fā)生共振現(xiàn)象。在頻率比不變的情況下，結構阻尼比越大，動力放大系數(shù)越小。由此可見，在外部條件不變的情況下，通過增加結構的阻尼比可以達到減小振幅的目的；尤其在頻率比、阻尼比都較小時，增加阻尼對于降低結構振動幅值更有效。

圖1 動力放大系數(shù)與頻率比、阻尼比的關系

1.2 工作變形分析方法

ODS（工作變形）分析反映的是在特定工況下，對應于特定頻率，各測量自由度之間的往復運動形態(tài)。利用位移/力的頻響函數(shù){H}為基礎的模態(tài)模型，位移ODS{X}可用式（6）來描述：

式中：i為測量自由度序號；ωp為特定的角頻率；Fj（ω）為j自由度激振力（輸入）的線性譜；m為激振力總數(shù)。

利用ODS分析，能夠直觀了解到結構各位置在特定工況下的振動形態(tài)，同樣能顯示出結構在某一頻率下的振動變形。ODS分析方法在汽車、電力等行業(yè)均有所應用，如ODS技術應用于特高壓電抗器振動測試分析中[6]。由于管道振動以一個或幾個頻率為主，通過分析管道在主要振動頻率下工作變形，獲得管道振動變形較大的位置及其振動特征，有針對性地進行振動治理。

2 振動治理案例

浙江某發(fā)電廠5號機組乙列給水前置泵進水管線振動較大，主要表現(xiàn)為10～17.35 m標高之間管段晃動幅度過大，圖2給出了管道布局示意。為防止管道由于長期晃動而發(fā)生振動疲勞破壞，對此管道進行振動測試并制定振動治理方案，以減緩管道振動[7]。

2.1 測試結果及分析

根據(jù)管道現(xiàn)場布局情況，共布置15個測點，每個測點包含3個方向。管道最下端測點編號為a1，最上端編號為a15，中間管段測點編號自下而上分別為a2—a14，如圖3所示。

在機組正常運行工況下，應用LMS（振動分析系統(tǒng)）進行工作變形測試。采樣頻率為256 Hz，采樣時間60 s。表1給出了各測點的振動位移峰值。可以看出，x方向最大振動位移峰值為1.36 mm，位于a12測點；y方向最大振動位移峰值為1.57 mm，位于a4測點；z方向最大振動位移峰值為1.51 mm，位于a5測點。

圖2 管道布局示意

圖3 測點布置

表1 管道各測點振動位移（工作變形）值 mm

對測量數(shù)據(jù)進行頻譜分析，獲得管道各測點的主要振動頻率在4～6 Hz之間。以測點1為參考點，計算測點1與其他各測點的互功率譜數(shù)據(jù)，利用LMS軟件中的工作變形分析工具，獲得該管段的時域和頻域工作變形。由于不同時間管道變形情況不同，圖4給出了其中一個時刻管道的時域工作變形，圖5—7分別給出了4 Hz，5 Hz和5.75 Hz下管道的頻域工作變形，由圖中可以看出，a1—a9管段主要以4～5 Hz振動為主，而a9—a15則以5.75 Hz振動為主，且彎頭和管段中部是振動幅值較大的部位。

圖4 管道時域工作變形

圖5 管道4 Hz工作變形

圖6 管道5 Hz工作變形

圖7 管道5.75 Hz工作變形

從圖5可以看出，在這段管道中振幅較大的位置位于上游3個彎頭處，尤其是第2彎頭（即測點a12）處的振幅最大。這段管段上現(xiàn)有的約束裝置多為彈簧吊架，測點a10處為橫向限位支架但已損壞。這些約束裝置無法對管道水平橫向起到好的限制作用，同時在流體流經(jīng)彎頭時引起的沖擊力作用下，管道出現(xiàn)了低頻高幅振動現(xiàn)象。

a5測點的振動幅值相對該段管段上其他點要大，而實際上該位置已安裝有橫向限位裝置。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該限位裝置已損壞，不能起到應有的約束作用。

2.2 減振措施

根據(jù)工作變形分析結果及現(xiàn)場檢查情況，制定了下述減振措施：

（1）在a6，a9，a12測點位置添加粘滯型阻尼器。

（2）拆除a5測點原有限位裝置，改為軸向限位支架。

2.3 治理效果驗證

應用CAESARII軟件建立管道模型，計算治理前后管道的振動位移值，以驗證此方案的治理效果。根據(jù)現(xiàn)場布局，建立管道模型，管道兩端（分別與除氧器、前置泵連接）作為固支點，考慮管道內部流體壓力、溫度及保溫層的影響。在a1點（管道與前置泵連接處）施加ELCENTRO地震譜，激勵方向為正y，放大因子為0.1。考慮到管道節(jié)點較多，僅比較管道彎頭處的振動位移值，具體數(shù)值如表2為所示。

表2 管道各彎頭振動位移值 mm

從表2可以得出，在相同激勵條件下，采用治理方案后，管道a7，a9，a14三個彎頭處的振動位移值明顯減小。計算結果表明，此處制定的振動治理方案效果明顯。

添加阻尼器前后管道的振動位移示意分別如圖8、圖9所示。

圖8 治理前管道振動位移

圖9 治理后管道振動位移

3 結語

采用ODS分析方法分析振動測試數(shù)據(jù)，可以獲得管道實際運行工況下的變形時頻特征。在浙江某發(fā)電廠給水管道減振治理方案上的應用情況表明，該方法一方面可方便地應用于診斷管道剛性約束裝置的完整性，另一方面可以為管道振動治理提供非常直觀的參考。

[1]王樂勤，何秋良.管道系統(tǒng)振動分析與工程應用[J].流體機械，2002，30（4）∶28-31.

[2]徐升.600 MW機組高壓調節(jié)閥振動大的原因分析及處理措施[J].浙江電力，2016，35（1）∶53-56.

[3]楊曉偉，李國明，謝澄，等.600 MW機組主再熱蒸汽及旁路系統(tǒng)管道支吊架調整與優(yōu)化[J].浙江電力，2016，35（4）∶54-58.

[4]倪振華.振動力學[M].西安：西安交通大學出版社，1988.

[5]克拉夫，彭津.結構動力學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]田昊洋，劉闖，蘇勇令，等.基于ODS的特高壓電抗器振動測試方法研究[J].華東電力，2014，42（8）∶1570-1573.

[7]劉習軍，賈啟芬.工程振動理論與測試技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

（本文編輯：陸 瑩）

Application of Operating Deflection Shape Analysis in Steam/Water Piping Vibration Mitigation

CHEN Haixin1，LIN Lei2，XU Decheng2
(1.Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Generation Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315208，China；2.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215004，China)

The actual deformation properties in time domain and frequency domain during piping operation can be obtained by application of operating deflection shape（ODS）analysis in vibration data processing for vibration mitigation.Based on the feedwater pipe vibration mitigation in a power plant in Zhejiang province，the operating deflection shape analysis is used to analyze the test data.It is found that supporters and hangers on the pipes become loose and failed.In accordance to the actual deformation characteristics of the pipes，vibration mitigation measures are formulated；moreover，simulation calculation is adopted to validate the method.

vibration test；operating deflection shape（ODS）analysis；feed-water pipe；vibration mitigation

TM621.7+2

：B

：1007-1881（2017）03-0042-04

2016-11-20

陳海鑫（1964），男，工程師，從事發(fā)電廠汽輪機檢修管理工作。