核電廠小徑管振動測量評價實踐與啟示

高 飛，黃澎濤，褚 凱

（1.秦山核電廠，浙江嘉興 314300；2.國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

隨著國內核電機組數量增加和運行時間的積累，小徑管及其連接失效成為影響機組安全性和經濟性的重要因素。小徑管在核電廠的主要作用是引流、引壓、疏水、排氣（汽），在設計和建造規范中，其振動安全分析在役前各階段沒有得到足夠的重視。

美國核電機組服役經驗反饋和過程工業失效案例[1]表明，針對小徑管振動疲勞失效，需要進行有效的管理和控制。EPRI（Electric Power Research Institute,美國電力研究協會）在90 年代進行了一系列小徑管/小支管的研究，發布了《小徑管插套焊接頭的振動疲勞》和《插套焊振動疲勞測試》等報告，系統闡述了小徑管振動疲勞失效及控制思路。EPRI 材料可靠性項目2015 年更新《疲勞管理手冊》[2]，專門匯總了EPRI 在小徑管插套焊振動測試、分析和管理方面的工作，ASME OM—2009[3]第3 篇附錄I 闡述了小支管振動加速度評價簡要方法，這些更新和補充標志小徑管振動測試、疲勞分析和管理已有章可尋。近年來，國內多家核電單位也開展了小徑管振動測試與治理及疲勞分析方面的工作[4-6]，但這些工作的思路仍然繼承了工藝管道疲勞分析的方法，而對于小徑管龐而雜、振動原因多等特點沒有提出特有的管理、測試分析要素。本文簡要介紹現有的振動測量技術和評估標準，結合現場數據，分析闡明小徑管的振動測量、評價與管理。

2 小徑管振動測量與評價

本文的小徑管振動測量和評價內容僅適用于運行穩態工況下的VMG-2[3]，不包含瞬態振動疲勞累積計算和更詳細的管線力學分析（VMG-1）。小徑管是指母管的支管，通常指公稱直徑≤2 英寸，也包含支管與母管直徑之比＜10%的管道。

2.1 小徑管振動評價方法

2.1.1 振動加速度評價方法

該方法適用于懸臂結構末端帶有集中質量點的結構，如圖1 所示。應力計算參考公式（1），許用應力引自參考文獻[7]。其他質量集中點明顯，且末端阻尼小的管線也可參考此方法。該評價方法簡便、針對性強，但是對應不同尺寸小徑管不同焊接型式的根部許用應力缺乏全面詳實的試驗數據，目前只能參考日本三菱公司的部分實際結構試驗數據。ASME（American Society of Mechanical Engineers，美國機械工程師協會）OM 卷第3 篇附錄I 弱化小徑管尺寸，同化不同焊接型式的焊接接頭削弱系數，這對數量龐大、焊接結構差異明、顯焊接質量無控制手段的小徑管難以適用。

圖1 懸臂結構示意

應力計算公式：

式中M——振動引起的力矩，N·mm

σ——振動引起的應力，MPa

W——集中質量（如閥門質量），kg

L——集中質量中心到應力評估點（支管根部）的距離，mm

Z——支管截面模量，mm3

2.1.2 振動速度評價方法（圖2）

該方法要求在管道系統上的不同點對振動速度進行測量，以確定最大振動速度所在的位置，該點上的的最大峰值速度與允許峰值速度進行比較，當時，振動合格。

允許峰值速度的表達式：

式中 13.4——轉換系數，mm/s/MPa

C1——補償特征管段上集中質量影響的修正系數

C4——端部條件修正系數，當端部非固定約束以及形狀非直管段時，進行修正，兩端固定的直管段，C4取1.00，該值對直管段的任何實際端部邊界條件都是保守的。簡支和懸臂管段C4取值1.33；等邊Z形彎頭C4取值0.74；等邊U 形彎頭C4取值0.83

Sel——0.8SA（SA為ASME BPVC 第Ⅲ卷第1 分冊附錄圖I-9.1 中106次循環下的交變應力，或圖I-9.2.2 中1011次交變循環下的交變應力，分析計算時考慮溫度對彈性模量的影響），MPa

C3——管道內介質和保溫層的修正系數，管道沒有保溫層且空載或者介質為蒸汽時，C3=1

W——單位長度管道的質量，kg/m

WF——單位長度管道內介質的質量，kg/m

WINS——單位長度管道上保溫層的質量，kg/m

C5——考慮強迫振動偏離共振的修正系數，等于特征跨距管道固有頻率與實測振動頻率之比。當頻率比小于1.0 時，C5取值1.0；當頻率比1.0～2.0 時，C5取值等于該比值；頻率比大于2.0 時，暫無標準參考

C2——二次應力系數，見ASME BPVC 第Ⅲ卷NB-3680

K2——局部應力指數，見ASME BPVC 第Ⅲ卷NB-3680

α——許用用力減弱系數，使用ASME BPVC 第Ⅲ卷第1分附錄圖I-9.1 時，α 取值1.3；使用圖I-9.2.1 或I-9.2.2 時，α 取值1

如果對公式（2）中的所有修正系數取保守值，可以得到任何管道形式的初步振動速度篩選值。對于碳鋼/低合金鋼而言=12.4 mm/s，對于不銹鋼管道而言

圖2 連續管線的振動測量與評估點

許用速度和應力之間的基本關系是基于管道振型與一階固有頻率振型一致的假設推導。在不考慮振動加速度、幅值、頻率和振型的情況下，可以使用速度判據。公式中的修正系數C5考慮了非共振時的強迫情況，不考慮頻率修正系數的速度判據是不保守的。電廠多跨距管系，使用速度判據之前須確定每個跨距的頻率比，以證明速度標準可用。

2.1.3 振動位移評價方法

振動位移評價方法要求在管系上測得最大振動位移。振動位移可以通過振動加速度二次積分獲得，同時也可獲得響應頻率，用以輔助確定跨距模型和振源。可接受的管道振動位移（峰值mm）用式（4）表達：

式中 9907——轉換系數，MPa

L——特征跨長度，mm

K——形狀系數

Do——管道外徑，mm

C2、K2、Sel與公式（3）定義相同。

這個方法在小徑管振動評估實踐中很少使用，該方法的假設在小徑管振動分析上限制較多[9]：①公式建立的基礎是一階振型，有彎頭的管線布局是指面外振動；②最大振動應力產生在最大彎矩處；③管道在所分析的跨距上直徑不變，且主要適用于直徑2 英寸以上厚度schedule160 以下管道；④所分析跨距上沒有集中質量、流體、保溫等的影響。

2.2 小徑管振動測量設備

目前，市場上缺乏專門針對管道振動測量和評估的便攜設備。從國內已發表的眾多文獻資料中發現，目前管道振動分析大多借助于旋轉機械振動測量手持采集設備，如Emerson CSI-2140、ProftechnikVibXpertⅡ等。文獻[7]推薦了加速度、速度、位移三種振動傳感器，在小徑管振動實踐應用中，三種傳感器各有優缺點（表1）。

表1 振動傳感器優缺點比較

3 現場振動測量與數據分析評估

在某核電機組現場通過目視及激光測振儀對高風險小徑管的振動進行篩選，對有振動異常懷疑的管線使用Emerson CSI 2140 配合PCB 三軸加速度傳感器進行更為細致的振動測量，并使用上述的方法評價，匯總結果見表2，其中，加速度評價方法的許用值是小徑管不同焊接形式下的許用應力，單位是MPa；速度評價方法的許用值是小徑管的振動速度限值，單位是mm/s。

將所測得小徑管振動峰值、峰值頻率與計算振動許用值、管道一階固有頻率進行對比分析，發現如下問題：

（1）有5 條管線的固有頻率低于10 Hz，有2 條10 Hz 左右，非常符合現場低頻高幅振動的目視特征。固有頻率偏低是由管道支撐不足、剛度不夠引起，極易被振動源激勵產生振動，多組測量數據表明峰值頻率與固有頻率接近，管線振動落入共振區間（如管線9），因此建議對這些管線增加支撐以增加抵抗振動激勵的能力，減少因振幅過大引起小徑管根部交變應力。

（2）管線7 振動幅值非常接近許用值，考慮到速度評價方法的假設和不可知的焊縫質量，該管道閥門下游的焊縫存在振動疲勞失效的可能。現場查看閥門后有兩條對接焊，推測該位置曾對焊縫進行過維修。根據振動數據，該管線振動的驅動力可能來自支管不連續處渦流造成支管內壓力脈動，在流場不可改變的情況下，應對渦流脈動和振動進行分析，重新確定集中質量閥門的位置以及減少管線焊縫，增強焊縫質量和檢查頻度。

從本次小徑管振動測量和分析結果分析，小徑管振動疲勞失效管理的重點因素是管線本身的剛度、集中質量的分布以及小徑管連接處的焊接結構、焊接質量，如果這些因素在設計和施工中加以控制，同時在機組調試期間重視支管開口、閥門泄漏、節流孔板等引起的流場不連續或者聲共振等特征，及時發現管線高頻振動并予以處理，可大大減少小徑管在役階段振動疲勞失效的可能。

表2 某核電機組高風險小徑管振動測量與評價結果

4 結語

從我國核電多年的運行經驗和美國核能行業關注度分析，小徑管振動管理非常必要。本文介紹了目前核電廠小徑管振動測量評價方法，分析不同方法的優缺點和使用注意事項，通過某核電機組小徑管實測數據和分析，闡述了小徑管振動疲勞管理要素。