核電廠工藝系統(tǒng)管道振動測量與評價方法

柳 鵬，錢立波

（核電秦山聯(lián)營有限公司，浙江 海鹽 314300）

管道在高振動水平的惡劣工況下長時間運行，其焊縫等危險截面會存在較大的安全隱患，管道振動還會對其上安裝的閥門、小支管等部件產(chǎn)生影響。在核電廠中，工藝系統(tǒng)管道的完整性顯得尤為重要。如何有效開展管道振動的測量和評價工作，成為擺在技術(shù)人員面前的一個現(xiàn)實工程問題。

與旋轉(zhuǎn)機械相比，管道振動的測量和評價方法截然不同，除在測點選取、數(shù)據(jù)處理等方面的迥異外，由于每一條管道在結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、工況等諸多方面都不盡相同，所以管道振動沒有整齊劃一的評價標(biāo)準(zhǔn)，其評價數(shù)值是因管道而異的。

由于國內(nèi)沒有現(xiàn)行的管道振動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過研究部分核電廠及科研院所在管道振動測量與評價方面的經(jīng)驗和案例，本文重點參考《核電站管道系統(tǒng)試運行及啟動過程中的振動測試要求標(biāo)準(zhǔn)》（ASME OM-S/G—2000 PART3），選取秦山第二核電廠某工藝系統(tǒng)部分管段作為研究對象，進行管道振動測量與評價方法的初步分析與探索。

1 研究對象

選取的研究對象為秦山第二核電廠某工藝系統(tǒng)部分管段，見圖1中綠色部分，該管段在系統(tǒng)中所處位置及其外觀輪廓如圖1所示。

2 管道振動標(biāo)準(zhǔn)

2.1 計算公式

根據(jù)ASME OM-S/G—2000 PART3的規(guī)定，用于簡化的振動速度評價標(biāo)準(zhǔn)，可接受的振動峰值速度（單位：in/s或mm/s）表達式為：

式中：3.64×10-3——常數(shù)因子；

C1——補償特征管段上集中質(zhì)量影響的修正系數(shù)；

C3——考慮管道內(nèi)介質(zhì)和保溫層的修正系數(shù)；

C4——端部固定條件及管段形狀修正系數(shù)；

α——許用應(yīng)力減弱系數(shù)。

當(dāng)各參數(shù)取最保守值，即各參數(shù)的取值使最終計算出的振動標(biāo)準(zhǔn)趨于最小值時，對于碳鋼管道，值為12.7 mm/s，對于不銹鋼管道，值為21 mm/s。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)計算

根據(jù)AMSE OM-S/G—2000 PART3規(guī)定，管道振動標(biāo)準(zhǔn)計算，首先要根據(jù)管道設(shè)計，將管道劃分成若干個特征段，分段考慮各段管道的結(jié)構(gòu)形式（直管、彎管、Z形、U形）、管徑、集中質(zhì)量和分布、各段的第一階固有頻率等，對各修正系數(shù)C1、C3、C4、C5和C2K2精確取值，算出各段允許的振動峰值速度值。

首先，對圖1中綠色管段進行特征分段并選取測點，見圖2。在圖2中，以不同色彩標(biāo)記管道分段情況，以A、B、C、D字母結(jié)合紅點標(biāo)記測點位置。其中，選取測點的原則是“選取振動最大點”，即管道的最薄弱點。以簡支梁特征的管段為例，其測點位置為管道中部。對于每一個測點，將進行水平方向（X向）與垂直方向（Y向）兩個方向的振動測量。

以圖2中深綠色管段（A測點所在段）水平方向（X向）為例，進行振動標(biāo)準(zhǔn)計算。

參數(shù)取值：該管道材料為不銹鋼，外徑89 mm，壁厚3 mm，密度7930 kg/m3，管重6.45 kg/m；該管段上有一個節(jié)流孔板，視為集中質(zhì)量，集中質(zhì)量3.5 kg，該段管重19.7 kg，二者比值0.18，根據(jù)圖3，C1取值0.85；C2K2保守取值為4；該段管道內(nèi)介質(zhì)為常溫水，無保溫層，每米管長內(nèi)水重5.41 kg，計算得C3值為1.28；該管段為兩端固定的非直管，彎頭為等腰三角形，故C4取值0.74；經(jīng)激振法測量，該管段的一階固有頻率為17 Hz，測量主頻為99 Hz，二者比值0.17，小于1.0，故C5取值1.0；該管段為不銹鋼材料，按照ASME規(guī)定，該材料管道落在ASME BPV Section Ⅲ中圖1-9.2.1（見圖4）或圖1-9.2.2（見圖5）定義范圍之內(nèi)，設(shè)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1011（最大值），按照圖5中B曲線取值，則SN的值為16.5 ksi，計算得Sel的值為13.2 ksi；許用應(yīng)力減弱系數(shù)α取值1.0。

將上述參數(shù)值代入式（1）進行計算得：

同樣的方法，可以計算出各點的振動標(biāo)準(zhǔn)值。各參數(shù)取值及計算結(jié)果詳見表1。

3 管道振動測量

3.1 振動測量儀器與方法

進行管道振動測量所采用的儀器儀表及分析軟件有：

（1）ENTEK-IRD（美國）公司生產(chǎn)的DP 1500振動數(shù)據(jù)采集儀；

（2）ENTEK振動數(shù)據(jù)分析處理軟件；

（3）型號為970i的加速度振動傳感器。

表1 管道振動標(biāo)準(zhǔn)計算的參數(shù)取值及計算結(jié)果Table 1 Parameter values for standard calculation and calculated results of pipeline vibration

經(jīng)分析相關(guān)技術(shù)參數(shù)，該數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)滿足本文中管道振動測量及分析的技術(shù)要求。

由于該管道為不銹鋼材料，故無法采用“以磁座吸附”的形式安裝傳感器。為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，振動測量人員采用了“在測點部位安裝鐵磁性臨時夾具，再以磁座吸附的形式安裝傳感器”的方式進行振動數(shù)據(jù)采集，該方案如圖6所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

按照ASME OM-S/G—2000 PART3的規(guī)定，管道振動評價采用的是振動峰值速度限值，因此，需要通過對測量數(shù)據(jù)的處理，得到管道振動的峰值速度。

對于穩(wěn)態(tài)振動，振動峰值速度就是指在一個完整周期內(nèi)的振動速度幅值最大值。以圖7為例，在這個包含了一個完整周期的振動時域圖中，振動速度的正向最大值為80mm/s，負(fù)向最大值為-74 mm/s，因此，振動峰值速度取值為80mm/s。

3.3 測量結(jié)果

按照前文所述的測量方法及數(shù)據(jù)處理方法，最終得到該段管道上4個測點各兩個方向的振動峰值速度值，見表2。

4 管道振動評價方法

表2 管道振動測量值Table 2 Measured values of pipeline vibration

對于管道振動的評價，主要采用ASME OM-S/G—2000 PART3的篩選方法。同時，參閱相關(guān)文獻資料，借鑒國內(nèi)部分核電廠在管道振動測量、評估及治理方面的實際經(jīng)驗，做出一個調(diào)整。調(diào)整內(nèi)容為：對于振動峰值速度大于允許速度2倍值的穩(wěn)態(tài)振動管道，建議不進行應(yīng)力測量和評估，而直接采取減振措施。

最終，得到不銹鋼管道和碳鋼管道振動的評價方法分別如表3、表4所示。

5 評價結(jié)果與分析

按照上一節(jié)所述的評價方法，對于本文中所選取管道上各點的振動狀況，評價結(jié)果詳見表5。

評價結(jié)果說明，該段管道的振動尚未超出合格范圍，但是需要進行跟蹤。

鑒于該工藝系統(tǒng)在核電廠運行中的重要性，工作人員將建立一個周期性的振動監(jiān)測計劃，關(guān)注并分析其振動變化趨勢，為該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。

6 結(jié)束語

管道振動的測量與評價不僅僅需要準(zhǔn)確的測量方法和科學(xué)合理的評價標(biāo)準(zhǔn)，還需要結(jié)合電廠實際運行狀況，考慮經(jīng)濟、安全等多方面的因素，綜合判斷，才能達到合理監(jiān)測、科學(xué)評價的目的，以便進一步做好管道振動治理工作。

表3 不銹鋼管道振動的評價方法Table 3 Evaluation methods for stainless steel pipeline vibration

表4 碳鋼管道振動的評價方法Table 4 Evaluation methods for carbon steel pipeline vibration

表5 管道振動評價結(jié)果Table 5 Evaluation results of pipeline vibration

[1]ASME OM-S/G—2000 PART3，核電站管道系統(tǒng)試運行及啟動過程中的振動測試要求[S].（ASME OM-S/G—2000 PART3, Requirements for vibration tests during trail operation and startup of nuclear power plant pipe system [S].）

[2]ASME BPV Section Ⅲ，鍋爐及壓力容器規(guī)范第三卷[S].（ASME BPV Section Ⅲ, Boiler and Pressure Vessel Criteria.Vol.3 [S].）