核電廠主蒸汽管道振動(dòng)原因分析與治理

梅曉好 ，魏旭峰 ，夏軍 ，付勇

（1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124；2.中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518124；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 工程概況

某核電廠主蒸汽至除氧器管道（以下簡稱“VVP-525”管道），該管道在汽輪機(jī)脫扣、甩負(fù)荷、低負(fù)荷等瞬態(tài)工況下使用，主要是為了維持除氧器壓力，以防止主給水泵發(fā)生氣蝕和保證除氧效果，該管道在編號(hào)為 VVP-525-001 與 VVP-525-006 的支吊架之間段存在較大程度的低幅高頻振動(dòng)。

2 管道振動(dòng)原因分析

通常引起管道受迫振動(dòng)的周期性激勵(lì)力主要是管道內(nèi)的脈動(dòng)壓力，特別是管道中流動(dòng)的脈動(dòng)氣體，在遇到彎管、異徑管、閥門及盲板等管道元件時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)激勵(lì)力，從而使管道做受迫振動(dòng)。當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾力頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)系統(tǒng)的振幅會(huì)急劇增大，即出現(xiàn)共振[1，2]。

2.1 引起管道振動(dòng)的原因

通常，引起管道振動(dòng)的原因主要有：（1）機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力平衡性；（2）管道內(nèi)部流體流動(dòng)狀況；（3）管道流體的脈動(dòng)壓力。

通過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)引起 VVP-525 管道振動(dòng)的主要原因是管道內(nèi)部流體通過管件時(shí)，介質(zhì)流場改變導(dǎo)致；VVP 母管振動(dòng)并不是很明顯，介質(zhì)經(jīng)過連接三通進(jìn)入 VVP-525 管道后，管道振動(dòng)出現(xiàn)了放大，管道 X 向與 Y 向振幅明顯增加，從管道布置可以看出，介質(zhì)流經(jīng)連接 VVP-525 管道與 VVP 母管的三通流場發(fā)生改變是引起 VVP-525 管道振動(dòng)的激勵(lì)源；管道在支吊架 VVP-525-002 與 VVP-525-003 的連續(xù)彎頭使得管道內(nèi)部流場頻繁改變走向，振動(dòng)幅值在立管處繼續(xù)增加，振動(dòng)幅值在立管中部達(dá)到了最大值；管道的彎頭較多，導(dǎo)致管道柔性增加，激勵(lì)源引起管道共振，管道振動(dòng)方式為低頻高幅振動(dòng)。

2.2 管道模態(tài)分析

本次管道模態(tài)分析計(jì)算程序是以梁單元模型為基礎(chǔ)的有限元分析程序。在國際公認(rèn)的管道應(yīng)力分析程序中，Caesar II是應(yīng)用最廣泛的軟件之一[4]。Caesar II 是由美國 COADE 公司研制開發(fā)的專業(yè)管道應(yīng)力分析軟件。它被廣泛應(yīng)用與石油、石化、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)。建立管道有限元幾何模型，經(jīng)計(jì)算分析，管道低階固有頻率共有10個(gè)，如表1所示。

表1 管道低階固有頻率

經(jīng)過與現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)有限元模型第7階、第8階陣型與現(xiàn)場實(shí)際振動(dòng)方式基本一致。

從圖1可以看出，管道有限元模型第7階陣型主要以 X向振動(dòng)為主，在水平管段 VVP-525-002 彈簧支架下游連續(xù)彎頭處以及立管管段 VVP-525-003 與 VVP-525-004 支吊架中部振幅較大。

管道有限元模型第8階陣型主要以 Y 向振動(dòng)為主，在立管管段 VVP-525-003 與 VVP-525-004 支吊架中部，以及立管管段 VVP-525-003 支吊架下游彎頭處振幅較大。

圖1 管道有限元模型第7階陣型圖

綜上所述，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，VVP-525 管道實(shí)際振動(dòng)情況比較復(fù)雜，管道振動(dòng)主要以 X、Y 向?yàn)橹鳎醪脚袛喙艿缹?shí)際陣型是第7階與第8階陣型的疊加，激勵(lì)源頻率非常接近管道第7階與第8階頻率，引起管道共振。

3 管道振動(dòng)測試結(jié)果與評(píng)估

3.1 管道振動(dòng)測試

本次采用壓電加速度計(jì)作為振動(dòng)測量的傳感器。壓電加速度計(jì)具有測量范圍大、測量精度高、受環(huán)境限制小且?guī)缀醪皇艽艌鲇绊懙葍?yōu)點(diǎn)，電場干擾也可通過前置放大器將其影響降到很小。管道振動(dòng)測試系統(tǒng)由單軸加速度計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（CoCo80）以及后處理軟件（EDM2.2.72）組成。

各測點(diǎn)振動(dòng)最大速率與自功率譜如表2所示，其中，振動(dòng)測試點(diǎn)位于各個(gè)支吊架附近，測點(diǎn)編號(hào)對應(yīng)支吊架編號(hào)。

表2 各測點(diǎn)振動(dòng)測試數(shù)據(jù)

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，L3-VVP-525 管道在水平方向振動(dòng)速度較大，最大速度峰值為 60.34mm/s。測試結(jié)果顯示振動(dòng)主頻率為 4.0～5.0Hz，這也驗(yàn)證了前面的初步推斷，激勵(lì)源頻率非常接近管道第7階與第8階頻率，引起管道共振。

3.2 管道振動(dòng)峰值速度評(píng)估

根據(jù) ASME OM-S/G-2000 part3 以及 DLT 1103—2009 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定采用速度準(zhǔn)則進(jìn)行管道振動(dòng)評(píng)判。計(jì)算許用速度如下：

式中，C1為補(bǔ)償可能存在集中質(zhì)量對管道的影響的修正系數(shù)；C4為考慮管道端部約束條件不是固定端和幾何形狀不是直管段的修正系數(shù)；C3為考慮流體質(zhì)量和保溫層材料質(zhì)量影響的修正系數(shù)；C5為測量頻率與管道的第一階固有頻率不同時(shí)的修正系數(shù)，為非共振強(qiáng)迫振動(dòng)的修正因子，它等于管道管跨的第一階固有頻率和測量頻率的比值，該比值為 1.0～2.0；比值小于1.0 的，修正因子等于 1.0；α 為許用應(yīng)力減弱系數(shù)；Sel為 0.8Sa，Sa為10的6次方次循環(huán)下的交變應(yīng)力或10的11次方循環(huán)下的交變應(yīng)力；C2K2對大多數(shù)管道系統(tǒng)，由 ASME 規(guī)范確定的應(yīng)力指數(shù)≤4，因此，保守取值 C2K2=4。

因此，計(jì)算得到管道振動(dòng)速度允許峰值：

VVP-525 管道各測點(diǎn)在 X、Y、Z 向振動(dòng)速度峰值最大為60.89mm/s，接近允許值 70.7mm/s。

4 管道振動(dòng)治理方案

管道振動(dòng)治理思路與手段主要有以下幾種：

1）消振。對能消除的原因進(jìn)行根治。流速過高引起的振動(dòng)，通過擴(kuò)大管徑降低流速；控制管流的壓力脈動(dòng)，使其不產(chǎn)生諧振；改變管道結(jié)構(gòu)參數(shù)配置方式，以改變管道的固有頻率，使其不產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。

2）減振。對不能消除的原因引起的振動(dòng)只能用間接措施來改善情況。對存在缺陷的管道支吊架進(jìn)行調(diào)整、修復(fù)；增設(shè)限位支架（改變管道局部結(jié)構(gòu)剛度）、液壓阻尼器、機(jī)械阻尼器或彈簧減震器；增加隔而固阻尼器（增加管道阻尼）。

3）避振。對有共振現(xiàn)象的振動(dòng)，在保證管道應(yīng)力合格的前提下，通過改變固有頻率避免共振。可以改變系統(tǒng)的質(zhì)量，也可以改變系統(tǒng)的剛性，使系統(tǒng)的固有頻率避開外部激勵(lì)頻率，避免共振。

這次采取的思路是減振，在 VVP-525 立管與水平管段分別添加黏滯阻尼器，阻尼器型號(hào)為隔而固 VRD30/V40/H80 與VRD50/V40/H120。選擇黏滯阻尼器的原因是由于它具有以下優(yōu)點(diǎn)：黏滯阻尼器是與動(dòng)力響應(yīng)速度成正比的黏性阻尼筒，不承受靜載荷，不影響熱位移，不改變管道應(yīng)力分布；黏滯阻尼器可以使整個(gè)管道系統(tǒng)的阻尼達(dá)到 100%，也就是使振動(dòng)波形一次衰減不震蕩；對運(yùn)行振動(dòng)與沖擊載荷一樣有效；在所有自由度上對振動(dòng)的反應(yīng)都毫不延遲；結(jié)構(gòu)簡單，且易于卸載與安裝；沒有磨損件，不用維修，壽命無限。

5 結(jié)語

本文對主蒸汽管道現(xiàn)場振動(dòng)情況進(jìn)行了詳細(xì)描述，通過建立管道有限元模型，對管道進(jìn)行模態(tài)分析，得到管道固有頻率與對應(yīng)振型，并結(jié)合現(xiàn)場情況初步分析了引起管道振動(dòng)原因是管道內(nèi)部流體通過管件時(shí)，介質(zhì)流場改變導(dǎo)致。另一方面，對管道進(jìn)行振動(dòng)測試，得到了各個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度與主頻率，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了振動(dòng)評(píng)估。最后，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與振動(dòng)測試結(jié)果得到了管道實(shí)際振型，制訂了管道振動(dòng)治理方案。