基于阻尼減振技術(shù)的熱電廠減溫減壓器管道研究*

胡 朋，何立東，張震坤，呂成龍

(北京化工大學(xué)化工安全教育部工程研究中心，北京100029)

0 引 言

減溫減壓器是用來調(diào)節(jié)蒸汽壓力、溫度，以及降低高壓、高速蒸汽所產(chǎn)生劇烈振動與噪聲的重要裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，是蒸汽排放系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵［1-2］。撫順某熱電廠的一機(jī)組投入運行3、4個月后，減溫減壓器的減溫水管道一直存在著嚴(yán)重的振動問題。強(qiáng)烈的振動曾導(dǎo)致減溫水管道維修不到1個月就疲勞開裂。另外，振動還致使主蒸汽管線一次閥門前、后法蘭螺栓松動以及高溫、高壓蒸汽泄漏等危險事故。

高速高壓蒸汽經(jīng)減壓閥降壓節(jié)流之后，蒸汽壓差很大，很容易產(chǎn)生較大的壓力波動。向高溫、高壓蒸汽中噴入水霧降溫屬于湍流氣液兩相流問題，會使減溫減壓器內(nèi)部流場不穩(wěn)定，故減溫減壓器系統(tǒng)常常會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動和尖銳的噪聲，以及汽蝕、閃蒸、可調(diào)比低等有害現(xiàn)象。目前管道系統(tǒng)的減振可以通過以下兩個途徑解決:①改造管道系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)，但調(diào)整工作量大，管道空間結(jié)構(gòu)調(diào)整不允許，一般不采用該方式解決管道振動;②改善管系振動固有特性，主要方法是增減管道約束，改變管系剛度和阻尼。然而對管道增加剛性約束不會耗散振動產(chǎn)生的能量，會傳遞給系統(tǒng)的其他儀器設(shè)備，故選擇改變阻尼的方法來治理振動［3-4］。

本研究依據(jù)該熱電廠減溫減壓器中減溫水管道的設(shè)計資料和振動測量數(shù)據(jù)，分析管道強(qiáng)烈振動產(chǎn)生的原因及危害，研究和運用阻尼減振技術(shù)，通過增加管道系統(tǒng)的阻尼，顯著地降低管道振動的速度，保證管道系統(tǒng)的安全運行。

1 減溫水管道振動狀況及危害

減溫水管道的外徑為 Φ57 mm，厚度為3.5 mm。減溫水由高壓給水泵通過該管道輸送減溫水，經(jīng)過節(jié)流裝置由噴嘴呈霧狀噴出，與新蒸汽直接混合來實現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度。管道在額定工況下振動非常嚴(yán)重，最大振幅超出測振儀器量程，即最大振動速度超過200 mm/s，大大超過了火力發(fā)電廠汽水管道振動控制導(dǎo)則規(guī)定的最大峰值振動速度值不能超過21.06 mm/s的要求。強(qiáng)烈的振動對管道已產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞，在減溫水管彎頭區(qū)域出現(xiàn)多次開裂泄漏現(xiàn)象(管道疲勞開裂圖如圖1所示)。

圖1 管道疲勞開裂圖示

該廠對開裂管道進(jìn)行了多次改造，一是在開裂位置設(shè)計加固裝置(管道彎頭處加固裝置如圖2所示)，通過向其灌注金屬密封膠，將其與管道粘結(jié)成一個整體，起到提高管道強(qiáng)度的作用，但運行一段時間后再次出現(xiàn)疲勞開裂(金屬密封膠加固裝置與管道焊縫振裂如圖3所示);二是將失效的加固裝置去除掉，重新焊接一段管道，并對其焊接剛性支架進(jìn)行加固(如圖1所示)，提高了管道系統(tǒng)的剛度。管道的振動稍有降低，但剛性支架不能耗散掉管道振動產(chǎn)生的能量，經(jīng)歷一段時間后管道由于局部應(yīng)力過大又一次出現(xiàn)疲勞開裂。

圖2 管道彎頭處加固裝置

圖3 金屬密封膠加固裝置與管道焊縫振裂

強(qiáng)烈振動導(dǎo)致的破壞致使該廠不得不將工作負(fù)荷下調(diào)，蒸汽流量從200 t/h一直降到80 t/h，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在低負(fù)荷生產(chǎn)條件下，管道振動雖有所降低，但遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的供熱需求，導(dǎo)致了生產(chǎn)量下降，儀器儀表等設(shè)備凍壞現(xiàn)象。且工作負(fù)荷較低(流量低于100 t/h)時，鍋爐車間不能用煤粉作為燃料，為防止其發(fā)生煤粉爆炸，不得不改用噴射柴油的方式維持生產(chǎn)，由于消耗量很大，成本大幅度提高。

2 減溫水管道振動原因分析

通過有限元軟件模擬計算和綜合分析可知，導(dǎo)致噴水管道振動的原因主要有以下幾點:

(1)管道共振是其強(qiáng)烈振動發(fā)生的主要原因。本研究采用Sap2000有限元軟件對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和模態(tài)分析，得出管道結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率為11.895 Hz。現(xiàn)場測得的管道振動頻率為 12.4 Hz，通常取共振區(qū)域為0.8～1.2倍，計算得到共振頻率為9.92 Hz～14.88 Hz?？芍艿赖牡?階固有頻率處于共振區(qū)范圍之內(nèi)，管道結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。

(2)減溫水由高壓給水泵供給，較大的壓力和流速遇到彎頭和閥門時就產(chǎn)生隨時間變化的脈動，從而導(dǎo)致管線產(chǎn)生強(qiáng)烈振動。

(3)減溫水管道非常細(xì)，外徑僅為Φ57 mm，整體的剛度和強(qiáng)度都比較小。

3 管道阻尼器耗能減振原理

3.1 阻尼減振原理分析

本研究在管系振幅較大的位置安裝粘滯阻尼器，將管道振動的機(jī)械能傳遞到阻尼器的阻尼液中，通過阻尼液的運動摩擦發(fā)熱來耗散管道振動能量，最終達(dá)到減振的目的。下面通過計算得出粘性阻尼每周期消耗的能量［5-8］:

設(shè)簡諧強(qiáng)迫振動的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為:

振動速度為:

粘性阻尼力為:

粘性阻尼力在一個周期內(nèi)耗散的能量為:

式中:c—阻尼系數(shù)，ω—固有頻率，B—最大振動位移。

由上面計算可知，通過對振動系統(tǒng)增加額外的阻尼能夠耗散機(jī)械振動能量，可以有效地抑制振動系統(tǒng)的位移和速度，最終實現(xiàn)阻尼減振的目的。

3.2 阻尼減振模擬仿真

該項目中，將部分管道系統(tǒng)簡化為不計阻尼的質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊同時受到外界激勵力、彈簧力和阻尼力的共同作用，其簡化模型如圖4所示。

圖4 受激勵的管道振動系統(tǒng)

以管道系統(tǒng)某個方向的振動分析，按照牛頓運動定理可以得到安裝阻尼器后管道系統(tǒng)振動微分方程為:

式中:m—系統(tǒng)質(zhì)量，c—阻尼系數(shù)，k—剛度。

公式(5)中，第1項為整個系統(tǒng)的慣性力;第2項為阻尼力;第3項為彈性力;第4項為外界激勵力。

本研究運用有限元軟件Sap2000依據(jù)管道系統(tǒng)的實際參數(shù)進(jìn)行一比一建模，并劃分網(wǎng)格，在有限元模型上施加約束條件和簡諧激振力，最后進(jìn)行阻尼減振計算。通過對比模型中未設(shè)置阻尼器和設(shè)置阻尼器兩種工況計算結(jié)果，可得出阻尼對振動的抑制效果。未設(shè)置阻尼器模型和設(shè)置阻尼器模型分別如圖5、圖6所示，在節(jié)點3 152和3 678之間每隔16 mm選取一個節(jié)點，共33個(如圖5所示)，從而計算出兩種工況下管道模型中選取節(jié)點的振動速度對比圖如圖7所示。其中該項目中使用的是普通液體粘滯阻尼器(非線性粘滯阻尼器)，阻尼系數(shù)為137 kN·s/m，阻尼指數(shù)為0.3，剛度取值為137 000 kN/m。

圖5 管道系統(tǒng)無阻尼模型

圖6 管道系統(tǒng)有阻尼模型

圖7 管道模型設(shè)置阻尼器前、后振動速度對比圖

管道模型設(shè)置阻尼器前、后振動速度對比圖如圖7所示，通過對管道系統(tǒng)設(shè)置額外的阻尼能夠大幅度降低管道的振動。其中，未設(shè)置阻尼時管道最大振動速度為219.14 mm/s，設(shè)置阻尼后最大振動速度降到了15.84 mm/s，減振幅度達(dá)到了92.77%，阻尼對振動系統(tǒng)的減振效果非常顯著。

4 管道阻尼減振方案及效果

管道系統(tǒng)的振動控制比較復(fù)雜，在確定減振改造方案時要綜合考慮各種因素，處理好各類矛盾。例如加固或增設(shè)管系的支撐點就能顯著提高系統(tǒng)的剛度，從而改變振動特性。振動雖有降低但強(qiáng)固支承會導(dǎo)致管道系統(tǒng)局部應(yīng)力過大出現(xiàn)再次振裂現(xiàn)象［9］?？紤]到該機(jī)組必須在不停機(jī)且保證連續(xù)生產(chǎn)的情況下進(jìn)行改造，故本研究運用管道阻尼減振技術(shù)，在適當(dāng)位置安裝粘滯阻尼器，降低管道系統(tǒng)的振動，消除了管道振動產(chǎn)生的安全隱患。同時阻尼器為柔性支撐，不改變原有系統(tǒng)的剛度，沒有運動空程，其對低頻振動減振效果非常顯著［10］。

根據(jù)最終優(yōu)化方案，本研究在管道振裂處的下面一段管道安裝兩個管道阻尼器，設(shè)計施工圖如圖8所示。上方阻尼器能夠有效控制激振源彎頭處的振動，下方阻尼器不僅能降低其附近彎頭產(chǎn)生的振動，而且能夠阻止振動能量向管道系統(tǒng)的其他薄弱區(qū)域傳遞，從而達(dá)到降低管道系統(tǒng)振動、保護(hù)管道結(jié)構(gòu)的目的。

圖8 減溫水管道阻尼器安裝設(shè)計圖

阻尼器安裝完成之后，減溫水管道的振動大幅度降低。改造之前機(jī)組在較低工作負(fù)荷(蒸汽流量為80 t/h)時，振動速度已經(jīng)超過了200 mm/s，改造后在額定工作負(fù)荷(蒸汽流量為200 t/h)下，各測點最大振動速度均不超過18.8 mm/s，完全達(dá)到了火力發(fā)電廠汽水管道振動控制導(dǎo)則規(guī)定的要求，同時滿足了生產(chǎn)和生活供熱的要求。項目改造完成至今已近一年時間，蒸汽流量基本達(dá)到額定負(fù)荷200 t/h，從未出現(xiàn)振動開裂現(xiàn)象，完全保證了機(jī)組連續(xù)安全、穩(wěn)定地運行。

5 結(jié)束語

減溫減壓器減溫水管道直徑小且長度大，剛度較小。較大的氣流沖擊遇到彎頭、閥門等附件時會激起管道振動，從而引起管道系統(tǒng)共振。本研究通過運用Sap2000軟件對管道進(jìn)行模態(tài)分析，計算管道的固有頻率，從而判斷是否發(fā)生系統(tǒng)共振。筆者從能量耗散的理論角度分析阻尼減振技術(shù)，并運用Sap2000軟件進(jìn)行模擬仿真，說明阻尼對振動的抑制效果明顯，也為阻尼器的安裝提供可靠的依據(jù)。

本研究在不停機(jī)和不改變管道結(jié)構(gòu)的情況下選擇最佳位置安裝管道阻尼器，改造完成后，管道的振動速度大幅度減小，蒸汽流量基本達(dá)到額定負(fù)荷200 t/h，最大速度由減振前的超量程(大于199 mm/s)降低到18.8 mm/s，完全達(dá)到了火力發(fā)電廠汽水管道振動控制導(dǎo)則規(guī)定的“最大峰值振動速度值不能超過21.06 mm/s”的要求。

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