分離器平衡管道振動分析及治理

許 堯，朱子豪

(國家能源集團泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327)

0 引言

通常情況下，管道振動會導致支吊架松動失效，對連接的設備產生附加推力，容易導致電廠汽水管道局部發生疲勞、損耗，甚至造成設備的損害，影響電廠安全生產運行。因此，查找分析振動原因并予以及時有效的治理對于提升機組運行安全性、經濟性有著重要意義。

1 機組概況

某公司一期2臺1000 MW燃煤發電機組為超超臨界變壓運行直流鍋爐，鍋爐采用П型布置、單爐膛、一次中間再熱、反向雙切圓燃燒方式。

鍋爐的汽水流程以內置式汽水分離器為分界點，從水冷壁入口集箱到汽水分離器為水冷壁系統，從汽水分離器出口到過熱器出口集箱為過熱器系統，在兩支汽水分離器蒸汽引出的平衡連通管中裝有6只過熱器入口彈簧式安全閥。

機組正常運行時，發現分離器平衡連通管發生頻繁振動，并且平衡管上的安全閥修理完畢后半年內頻繁發生內漏，給設備的檢修治理帶來了困難。

2 管路振動情況

2.1 管路布置

該公司電廠分離器平衡管路實際長度約6 m，管路中部設置1根恒力吊架，中部兩側各設置1個彈簧吊架，用于支撐載荷、平衡受力，同時6只安全閥均衡分布在平衡管路上。

2.2 管路振動現狀

機組運行時管路存在振動，同時管路上安全閥和閥門附近格柵板也存在著長期的振動；結合檢修情況，發現閥芯密封面存在吹損，螺栓法蘭出現振動松動情況。該電廠按照檢修計劃要求定期對安全閥進行在線校驗和檢修，不存在壓力整定問題造成安全閥內漏的情況。管路介質蒸汽溫度在430 ℃左右，且為分離器上部平衡管，不存在氣液兩相問題，同時過、再熱系統均為同類型安全閥，未發生頻繁內漏現象。故綜合分析認為，閥門內漏與管路振動可能存在一定關聯，是機組安全穩定運行一大隱患。

3 振動原因分析與測試

3.1 管道振動原因分類

電廠管系的激振力來自系統自身因素和系統外因素。系統自身因素為與管道直接相連接的泵等轉動設備的振動、管內流體動量瞬時突變、流體通過泄放閥和管道內流體的不穩定流動等引起的振動，系統外因素為地震載荷、風載荷等，主要分為以下幾類。

3.1.1 機械振動

管道連接轉動機械如汽輪機、往復式機械泵、壓縮機等，受到端口傳遞來的周期性激振力引起管道振動。機械振動引起的管道振動可以通過機械振動頻率和管道振動測試數據的對比確認振動原因。

3.1.2 流體脈動壓力

由于往復式泵或壓縮機的吸氣排液是周期性、間歇性的，因此管道內流體的流速忽快忽慢、壓力忽高忽低，形成了一種不穩定的狀態，這種周期性的壓力脈動對管道系統產生周期性的激振力引起管道振動。這種振動可以通過壓力檢測點的壓力變化和振動采集圖像的對比確定。

3.1.3 氣液兩相流

流體在流經管路或節流元件時，遇到局部壓力突降至飽和壓力以下的情況下，部分流體會氣化(閃蒸)，產生氣泡形成真空，氣泡在受到外壓擠壓破裂，沖刷管壁，造成管道高頻振動，并將管道內壁沖刷成蜂窩狀，即汽蝕現象。

當壓力繼續降低，隨著氣液兩相之間的比率變化，形成兩相流，不同的兩相流流動狀態會形成不同的壓力波，從而導致不同程度的管道振動和噪聲。可根據管道前后元件和管道結構，結合振動測試結果進行判斷。

3.1.4 流體高速振動

當流體流經減壓閥、安全閥、噴嘴或其他節流元件時，流體的流速急劇增大，達到或接近臨界狀態時出現不穩定的流動狀態(紊流)，在其沖擊下管道系統將會產生強烈的振動并伴有噪聲。高速流引起的振動一般都表現為高頻振動且伴有噪聲。紊流也有可能是經過管道中的障礙物或者通過變徑管道時產生的，紊流引起振動的幅值和頻率是不穩定的，當雷諾數Re超出2800時，并伴有較大噪聲時，可認為是紊流導致振動。

3.1.5 流體瞬變沖擊

當管道內流體流量發生瞬時突然變化時，例如管道系統中閥門的快速開啟或關閉，高溫或低溫流體急速流入管道并在管道內急速加熱或冷卻而產生相當大的高壓或負壓時，產生強大的壓力波迅速傳播，對管道產生巨大的沖擊力，引起管道的強烈振動，也就是水錘或汽錘。

水、汽錘的沖擊力一般較大，一般會對管道沿線的支吊架形成較大的損傷，也較容易在現場找到沖擊痕跡，并且可以通過實時應變監測系統監測到沖擊信號。

3.1.6 管道結構缺陷

個別管道支吊架失效會引起管道系統受力的重新分布，從而導致部分支吊架過載或欠載，引起管道振動。因此，管道設計除了靜力設計還需考慮動態設計，既要有足夠的柔性來保證熱膨脹不會引起應力超標，也要有足夠的剛性來保證柔道擾動時不易發生振動。當設計存在缺陷或現場施工存在缺陷時，也會引發管道振動，且通常表現為低頻振動。

管道支吊架的失效或管道設計缺陷可以通過支吊架的排查和管系設計復核來發現。

3.2 原因分析

(1) 由于管路介質蒸汽溫度為430 ℃左右，且為分離器上部平衡管，不存在氣液兩相問題，因此不會存在由于氣液兩相流原因造成管路的振動。

(2) 由于機組穩定運行過程中，分離器平衡連通管中流量參數穩定，處于一種平衡狀態，不存在由于工質流量反復變化造成管道系統壓力周期性變化而產生的強烈管道振動。

(3) 假設是由于工質流經安全閥，通過管道變徑造成節流引起的紊流振動，根據上述振動分類分析，該種振動一般表現為高頻振動。而實際上根據該處的振動頻率分析，發現為低頻振動，且過熱器系統同類型大口徑管道也安裝了同種結構的安全閥，未發現有這種振動情況，故該種假設不成立。

結合上述的振動原因分析與機組檢修情況，根據機組熱態現場勘察的結果，振動產生的可能原因主要包括以下幾種。

(1) 流體在通過彎頭時可能產生激振力。

(2) 平衡管兩側壓力失衡，導致管內產生壓力脈動，從而引起振動。

(3) 該管系局部位置可能存在支吊架失效、失載，或管道柔性太大，引起振動。

3.3 驗證測試

針對上述分析，現場進行了測試驗證。

(1) 針對上述第1個可能的原因，在不同負荷(750 MW和1000 MW)工況下，對彎頭處、平衡管中部的振動進行同時檢測，發現彎頭處與平衡管中部處振動值無明顯偏差，均存在著低頻振動，而不是彎頭部位存在局部周期性的高頻激振，說明整個管系存在普遍振動情況。

(2) 針對上述第2個可能的原因，結合DCS數據對各個工況(750 MW和1000 MW)下平衡管兩側的壓力進行記錄和對比，并測試各個工況下的振動情況，未發現平衡管兩側壓力有失衡現象。

(3) 針對上述第3個可能的原因，檢查對比冷熱態支吊架的運行情況，發現管道的兩端彈簧吊架有失載的現象，基本確定了振動產生的原因為管道部分支吊架存在失效，管道結構整體剛度發生變化，在受到流體激勵時產生了振動。

通過振動測試可知，平衡管道在運行功率達到900 MW時振動最大，振動最大峰值為120 mm/s，主振頻率為10 Hz。管道振動速度較大，且主要表現為低頻振動，根據上述管道振動原因分類，確定管道振動的原因為管道結構整體剛度的缺陷。

4 振動治理及成效

4.1 處理方案

根據現場檢查情況及測試結果，該處振動表現為低頻振動，確定了以下主要治理措施。

(1) 檢修期間對檢查發現的失效、失載的彈簧支吊架進行恢復和緊固。

(2) 平衡管路管線較長，同時彈簧吊架在長期熱態運行條件下若出現失載情況，勢必加劇低頻振動，故考慮在管道上加裝阻尼器來吸收低頻振動。根據現場實際情況，在平衡管兩側增加2個三向阻尼器。阻尼器安裝在室外鍋爐側，其工作溫度基本為周圍的室外溫度，約-10～40 ℃。根據阻尼液對溫度的適應要求，選擇RHY型阻尼器；根據阻尼系數和振動頻率，結合現場安裝條件，選擇RHY-320型阻尼器，基本滿足要求。

4.2 治理后振動測試

按照治理方案施工后，測試顯示，在機組900 MW功率時管道振動峰速由120 mm/s降至60 mm/s，振動降幅達50 %。治理后，機組運行過程中安全閥也未再出現頻繁的內漏現象。

5 結束語

結合現場檢查及各工況下的振動測試分析，通過恢復失載支吊架、增設阻尼器的方式，改變了管系結構的動態特性，驗證了振動治理方案的有效性，成功消除了設備振動隱患。