管道振動(dòng)的測量評(píng)價(jià)與故障診斷

顏軍明 陳燦 王海衛(wèi) 史慶峰 蔣 翔 楊 剛 王贊娥

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

1 管道振動(dòng)測量

傳感器拾取管道振動(dòng)信號(hào)。適用于管道振動(dòng)測量的傳感器類型主要有：位移傳感器（電渦流、差動(dòng)）、速度傳感器（磁電、激光）、加速度傳感器，其中加速度傳感器因動(dòng)態(tài)線性范圍寬、質(zhì)量小、抗干擾能力強(qiáng)、耐用可靠等優(yōu)點(diǎn)在管道振動(dòng)測量中廣泛使用[1]。

管道振動(dòng)原始信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理（信號(hào)放大、抗混濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換）后送入振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)濾波、積分、快速傅里葉變換（FFT）處理，得到管道振動(dòng)速度峰值及振動(dòng)頻譜。

2 管道振動(dòng)評(píng)價(jià)

管道振動(dòng)測量結(jié)果評(píng)價(jià)依據(jù)ASME OM-S/G-2000 第3 篇《核電廠管系預(yù)運(yùn)行和初始起動(dòng)時(shí)的振動(dòng)試驗(yàn)要求》規(guī)范中的速度標(biāo)準(zhǔn)[2]。許用速度峰值表達(dá)式為：

式中，C1為補(bǔ)償管道特征跨度上集中質(zhì)量（如閥門等）影響的修正系數(shù)；C2、K2為ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范規(guī)定的二次應(yīng)力、局部指數(shù)，對(duì)于大多數(shù)管系C2K2≤4；C3為考慮管內(nèi)介質(zhì)和保溫層質(zhì)量的修正系數(shù)，W 為單位長度內(nèi)的管道重量，Kg/m、WF為單位長度內(nèi)管內(nèi)介質(zhì)重量，Kg/m、WINS為單位長度內(nèi)的保溫層重量，Kg/m，對(duì)于無保溫且空的管道或蒸汽管道，C3=1；C4為考慮管道不同支撐形式的修正系數(shù)，對(duì)于直跨兩端固定，C4取1.4；對(duì)于懸臂和簡支梁，C4取1.33；對(duì)于等弧Z 形彎頭，C4取0.74；對(duì)于等弧U 形彎頭，C4取0.83；C5為考慮偏離共振的強(qiáng)迫振動(dòng)的修正系數(shù)，等于管跨一階自然頻率與主頻率之比；SA為ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范規(guī)定的交變應(yīng)力，MPa；α 為許用應(yīng)力折減系數(shù)。

將實(shí)際測得的管道振動(dòng)速度VP與計(jì)算所得Vallow進(jìn)行比較，若VP≤Vallow，則管道振動(dòng)合格；反之，管道振動(dòng)不合格。

3 管道振動(dòng)故障診斷

管道振動(dòng)超標(biāo)后，結(jié)合管道振動(dòng)頻譜，從振源分析、運(yùn)行工況分析、支撐分析三個(gè)方面進(jìn)行管道故障診斷，提出管道振動(dòng)處理方案，處理方案現(xiàn)場實(shí)施后，重新進(jìn)行振動(dòng)測量驗(yàn)證方案是否有效。

圖1 汽動(dòng)泵入口管道振動(dòng)測點(diǎn)圖

以國內(nèi)某發(fā)電機(jī)組輔助汽動(dòng)給水泵（下簡稱汽動(dòng)泵）入口管道為例，該管道布置及振動(dòng)測點(diǎn)見圖1。小流量工況下，測點(diǎn)1 水平方向（1H）振動(dòng)幅值達(dá)119.5mm/s，超過管道振動(dòng)限值85mm/s，振動(dòng)不合格。

3.1 振源分析

引起管道振動(dòng)的力稱之為激振力。綜合考慮該泵的情況，該泵激振力的來源主要有：

a）汽動(dòng)泵本體的振動(dòng)傳遞至入口管道。

b）入口管道內(nèi)流體流場不穩(wěn)定，產(chǎn)生激振力。

c）與入口管道相連的其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械正常運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)傳遞至入口管道。

小流量工況下，汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速約為8400 轉(zhuǎn)/分，其產(chǎn)生的激振頻率主要是8400/60=140Hz；與汽動(dòng)泵入口管道相連的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備為輔助電動(dòng)給水泵，電動(dòng)給水泵額定轉(zhuǎn)速為2980 轉(zhuǎn)/分，其產(chǎn)生的激振頻率主要為2980/60=49.7Hz。

經(jīng)查看振動(dòng)超標(biāo)時(shí)振動(dòng)頻譜，頻譜主要頻率成分為21.36Hz，未見明顯的49.6Hz、140Hz 頻率及倍頻的峰值，由此可以確定汽動(dòng)泵入口管道的振動(dòng)不是汽動(dòng)泵本體、與進(jìn)口管道相連的其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械正常運(yùn)行引起的。同時(shí)，考慮到汽動(dòng)泵運(yùn)行工況為小流量，小流量工況下的流場一般不穩(wěn)定，因此汽動(dòng)泵入口管道振動(dòng)激振力最有可能來源于入口管道內(nèi)流體流場的不穩(wěn)定。

不穩(wěn)定流場能產(chǎn)生寬頻能量帶。當(dāng)管道的固有頻率落在能量帶中，且與能量帶中幅值較高的頻率成分一致時(shí)，便產(chǎn)生共振。汽動(dòng)泵入口管道振動(dòng)超標(biāo)后，對(duì)未充水情況下的入口管道進(jìn)行敲擊測試，測得的管道固有頻率約為20Hz，與振動(dòng)超標(biāo)頻譜中振動(dòng)主頻基本一致，因此，我們認(rèn)為汽動(dòng)泵入口管道振動(dòng)超標(biāo)的主要原因?yàn)楣舱瘛?/p>

3.2 支撐分析

經(jīng)現(xiàn)場查看管道支撐，發(fā)現(xiàn)W229.306 支架與底板存在間隙，現(xiàn)場安裝情況見圖2，不能約束管道-Z 向位移，而該支架設(shè)計(jì)為滑動(dòng)支撐，現(xiàn)場支架狀態(tài)與設(shè)計(jì)功能不符合。

3.3 振動(dòng)處理措施及效果

在無法改變管道中流體狀態(tài)的前提下，消除共振故障的方法是提高管道的固有頻率，讓管道的固有頻率避開不穩(wěn)定流場產(chǎn)生的能量帶中幅值較高的頻率成分。管道固有頻率的調(diào)整主要通過調(diào)整管道剛度和質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)，考慮系統(tǒng)的運(yùn)行工藝要求和現(xiàn)場安裝條件，改變管道固有頻率以改變管道支撐形式和位置最為可行、有效。結(jié)合汽動(dòng)泵入口管道現(xiàn)場支架情況，建議先處理W229.306 支架缺陷，主要處理措施如下：在W229.306 底板下墊入U(xiǎn)C 板，消除底板與支架之間間隙，使支架功能滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)整后支架狀態(tài)見圖2。

圖2 W229.306 支架調(diào)整前后對(duì)比圖

現(xiàn)場支架調(diào)整后，小流量工況下1H 測點(diǎn)的振動(dòng)幅值降至56.1mm/s，管道振動(dòng)合格。振動(dòng)合格后汽動(dòng)泵入口管道振動(dòng)主頻增加至31.13Hz，有效避開了小流量工況下管道激振頻率。

4 結(jié)論

對(duì)管道進(jìn)行振動(dòng)測量、分析和評(píng)價(jià)，可以檢測出系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)及預(yù)測系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的過量振動(dòng)，為管道系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。另外，根據(jù)對(duì)振動(dòng)超標(biāo)管道的實(shí)際處理經(jīng)驗(yàn)，管道支架的設(shè)計(jì)及安裝是否符合要求是引起管道振動(dòng)超標(biāo)的主要因素，需要在機(jī)組設(shè)計(jì)和安裝階段引起足夠的重視。

［1］李德葆，陸秋海.工程振動(dòng)試驗(yàn)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：3，24-33.

［2］ASME BPVC-ⅢASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范：第Ⅲ卷[S].1998.

［3］ASME OM-S/G-2000 第3 篇 核電廠管系預(yù)運(yùn)行和初始起動(dòng)時(shí)的振動(dòng)試驗(yàn)要求[S].