汽水管道振動原因分析及解決對策

徐成智

摘要：電廠中的汽水管道較多，汽水管道內(nèi)部運行熱力系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致管道引發(fā)振動，這種振動威脅管道生產(chǎn)安全運行，比如高壓給水管道、主蒸汽管道等管道系統(tǒng)都因為機(jī)組容量以及參數(shù)的提高而發(fā)生振動。本研究分析汽水管道幾種常見的震動以及振動的原因，并提出減少其振動的對策，為減少甚至消除管道振動、減小振動對系統(tǒng)的影響提供理論的依據(jù)與參考。

關(guān)鍵詞：汽水管道；振動；解決對策

汽水管道振動是電廠實際運行中的頻發(fā)現(xiàn)象，由于設(shè)計不當(dāng)或者給水泵汽化等原因?qū)е?，?yán)重影響電廠的穩(wěn)定運行。近年來，我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，電網(wǎng)的主力機(jī)組已經(jīng)被大容量高溫高壓機(jī)組替代，參數(shù)和熱力系統(tǒng)都日漸復(fù)雜，電廠管道會因此而發(fā)生振動，管道系統(tǒng)是電廠機(jī)組的生命線，因此，有效改善汽水管道的振動、消除安全事故隱患是十分必要的。下文將針對這類問題進(jìn)行分析，爭取為機(jī)組的改造和汽水管道運行的改善提供指導(dǎo)。

1.汽水管道振動原理及危害

汽水管道系統(tǒng)的振動非常普遍，主要發(fā)生在啟停機(jī)和工作情況改變的時刻，在主蒸汽管道、水泵出入口、高溫高壓容器等管路出現(xiàn)，表現(xiàn)為管路和支吊架碰撞擺動發(fā)出噪聲。汽水管道系統(tǒng)的振動越來越常見，振動主要由于力的交替變化而產(chǎn)生，會導(dǎo)致鏈接與管道的振動器械遭受影響和傷害，如果管道長期處于這種振動狀況就會給安全生產(chǎn)帶來極大危害，甚至造成嚴(yán)重的機(jī)動組非停事故。在電廠運行中，各管道縱橫交錯，微弱的管道振動對設(shè)備帶來的影響較弱，但是如果振動強烈就極易導(dǎo)致機(jī)組非計劃停運，振動產(chǎn)生的往復(fù)慣性力會導(dǎo)致汽水管道結(jié)構(gòu)的破壞甚至局部泄露斷裂，嚴(yán)重時會引起爆炸等災(zāi)害。另外，汽水管道振動產(chǎn)生的噪聲還會影響現(xiàn)場工作人員的身心健康，操作人員易產(chǎn)生不舒適感，影響工作效率，也是安全事故多發(fā)的起因，同時還會對周圍環(huán)境造成噪聲污染。

2.汽水管道振動的原因

汽水管道振動的原因是很復(fù)雜的，主要就是系統(tǒng)中的外部動力或者其他由于介質(zhì)流動產(chǎn)生的作用力，同時，設(shè)備的型號、管道尺寸等都是影響系統(tǒng)振動的原因。汽水管道的振動一般是由機(jī)械振動、流體振動或者地震引起的。在實際生產(chǎn)過程中，對于管道系統(tǒng)振動原因的分析就是根據(jù)觀察到的現(xiàn)象來找出震源以及加劇振動因素的過程。從運行狀況入手，檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)參數(shù)運行的波動情況，通過看、聽、摸等方式了解管道振動的特點，排查系統(tǒng)是否有過載、約束不適當(dāng)、減震功能件破損等問題出現(xiàn)。

2.1管道內(nèi)部流體流動引起管道振動

汽水管道內(nèi)部常有氣液流引起振動的情況出現(xiàn)。在設(shè)備運行時，由于安裝不良或者操作不當(dāng)?shù)仍蚴蛊鋬?nèi)部存在大量氣體，這種氣體和液體會形成兩項流，這種流動會對汽水管道產(chǎn)生較大的沖擊引起管道系統(tǒng)的振動，其特點是：由氣液流引起的管道振動是無規(guī)則的，及其啟動時振幅最為強烈，如果氣體能夠及時得到疏通排出，會漸漸減小振幅直至消失；氣液兩項流會導(dǎo)致流量壓力不穩(wěn)定，從而引起水泵電流的異常擺動。管道系統(tǒng)內(nèi)部流體流動時，在經(jīng)過減壓閥、安全閥等元件時其流速會急劇上升，如果流速大于該位置的最大允許流速時就會引起管道的振動，同時如果排氣不穩(wěn)定，工質(zhì)對元件和管道產(chǎn)生的反力也不穩(wěn)定，也是引起管道振動的原因之一。

2.2汽水管道流體的脈動壓力引起管道振動

管內(nèi)流體的動力來自于各種泵的做功，其輸送主要通過壓縮機(jī)和泵的加壓進(jìn)行，所以流體的壓力和速度隨著泵的加壓而上下波動形成流體脈動，這種脈動是周期性的，并在經(jīng)過彎頭、閥門等元件就會產(chǎn)生激振力，激振力是引起汽水管道振動的主要原因，如果系統(tǒng)的約束不夠牢固或者減震性能較差，就會加劇管道的振動現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)對汽水管道振動的理論分析得出汽水管道是一個復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要從管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和流體系統(tǒng)兩個方面來研究管道的振動。所以汽水管道系統(tǒng)布置不合理、管件對介質(zhì)流體的作用等都會造成管道系統(tǒng)的振動。

2.3給水泵轉(zhuǎn)動和汽化都會引起管道振動

當(dāng)給水泵口流量小于泵的最低流量、以及泵口壓力小于進(jìn)水飽和壓力時會產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，這時就會引起水泵的壓力和流量改變引起汽水管道振動并發(fā)生噪聲。水泵等泵設(shè)備的轉(zhuǎn)動也會引起汽水管道的振動，泵轉(zhuǎn)動發(fā)生振動時，就會將振動力傳給相連接的汽水管道上造成其振動。

2.4其他原因

在汽水管道系統(tǒng)中，經(jīng)常需要開啟和關(guān)閉閥門來調(diào)整泵、閥出現(xiàn)的故障，在閥門突然開啟或關(guān)閉時，管道內(nèi)的水流速度會發(fā)生突變，水壓形成壓縮或膨脹波動，這就是水錘現(xiàn)象，這種現(xiàn)象發(fā)生時，汽水管道內(nèi)部壓力變化很大，一旦與管道固有頻率重疊就會產(chǎn)生管道的共振。支吊架設(shè)計安裝不良時，如局部受力不均勻、支吊彈簧未調(diào)整好等都會造成管道運行發(fā)生振動。另外，地震引起的振動也是是不可忽視的，由于地殼運動造成管道某處破裂甚至局部坍塌，地震的能量通過地震波的形式來影響地面的設(shè)備發(fā)生振動。

3.汽水管道振動解決對策

上文已經(jīng)介紹了汽水管道振動的危害是較大的，所以對其振動的控制和改善十分必要。多數(shù)管道振動是由于激振力與管系的低階頻率發(fā)生重疊而引起的，因此汽水管道振動的解決主要分治理和預(yù)防，可以從消減管系激振力和改善管系振動特性兩方面入手。治理的具體環(huán)節(jié)有：現(xiàn)場觀察做出診斷，判斷振動的類型及癥狀，初步設(shè)計測試方案；之后進(jìn)行現(xiàn)場的測試，對采集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析；評價系統(tǒng)的可靠性，最后指定合理的治理措施。另外要注意汽水管道振動的預(yù)防，預(yù)防的思路在于消振，減振和避振。針對不同的成因指定不同的消除方式，如果是因為流速過高引起的振動，可以擴(kuò)大管道的直徑達(dá)到降低流速的目的。如果已經(jīng)發(fā)生了管道振動，就要想辦法減震，如果是由于動力不平衡引起了振動，就可以通過分解振動能量、改變伸縮節(jié)位置等方法來見解減小振動。需要注意的是，如果發(fā)生共振現(xiàn)象，則需要改變管道結(jié)構(gòu)特性、固有頻率、及系統(tǒng)的剛性和質(zhì)量來避開管系的共振頻率。汽水管道振動基本方程寫成矩陣形式為MX+CX+KX=F。其中M為質(zhì)量矩陣、C為阻尼矩陣。K為剛度矩陣，F(xiàn)是激振力，這個方程反應(yīng)了激振力與三種矩陣之間的關(guān)系，可以通過這個振動方程來作為減少管道振動的依據(jù)。首先可以改變系統(tǒng)的剛度K值，設(shè)立剛性支架、計算關(guān)系的各階頻率，查看振動位置以及方向；其次可以改變系統(tǒng)的阻尼C值，在需要的位置設(shè)立阻尼器，可以分散振動沖擊的能力，相當(dāng)與減震器的作用；對于現(xiàn)役電廠的管道質(zhì)量已經(jīng)無法改變，所以一般不考慮通過改變質(zhì)量矩陣來較少管道系統(tǒng)的振動。

4.結(jié)語

隨著我國社會的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國電力事業(yè)也如火如荼，但是電廠實際運行中常出現(xiàn)的汽水管道振動問題也越來越受到關(guān)注，由于各種原因引起的管道振動對電廠安全運行形成了嚴(yán)重的隱患，本研究對汽水管道振動的危害進(jìn)行了簡要的分析，詳細(xì)的討論了其形成的原因，只有深入了解了管道振動復(fù)雜的成因和原理，找到振動根源，才能提出較為有效的解決方案，通過消減激振力和改善管道振動特性等方式改善汽水管道的振動現(xiàn)象，降低其對設(shè)備的損耗和對電廠安全運行的負(fù)面影響。

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