火電廠(chǎng)高壓給水管道振動(dòng)的診斷與治理

胡鑫，劉明

（華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

火電廠(chǎng)高壓給水管道振動(dòng)的診斷與治理

胡鑫，劉明

（華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

結(jié)合某電廠(chǎng)高壓給水管道的振動(dòng)問(wèn)題，從機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)方程入手，綜合宏觀檢查、振動(dòng)測(cè)試、仿真分析等研究手段，應(yīng)用剛性限位、液壓阻尼器、黏滯液阻尼器等減振裝置，建立了一套理論嚴(yán)謹(jǐn)、現(xiàn)實(shí)可操作性強(qiáng)、實(shí)用效果明顯的管道控制研究方法，為火電廠(chǎng)管道振動(dòng)治理問(wèn)題提供了可供參考的經(jīng)驗(yàn)。

高壓給水管道；振動(dòng)；測(cè)試；阻尼器

0 引言

隨著火電廠(chǎng)機(jī)組容量和參數(shù)的不斷提高，汽水管道振動(dòng)的危害越來(lái)越明顯，發(fā)生振動(dòng)的管道系統(tǒng)也越來(lái)越普遍，管道振動(dòng)已成為影響電廠(chǎng)安全運(yùn)行的重大隱患之一。因此，開(kāi)展火電廠(chǎng)管道振動(dòng)診斷與控制技術(shù)研究，有著廣泛的實(shí)際需求和重要的安全價(jià)值。

火電廠(chǎng)高壓給水管道作為四大管道之一，是電廠(chǎng)汽水系統(tǒng)循環(huán)連通的重要組成，其主要特點(diǎn)是管徑粗、管內(nèi)流體介質(zhì)壓力大、溫度高，因而高壓給水管道一旦發(fā)生振動(dòng)，其危害及處理難度都高于一般小管道的振動(dòng)。

1 管道振動(dòng)控制方法

管道系統(tǒng)的振動(dòng)一般是作用在管系上的周期性激振力引起的受迫振動(dòng)，按照經(jīng)典的振動(dòng)理論，一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)方程可以表述為［1］：

式中：［M］為質(zhì)量矩陣；［c］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛x｝為位移向量；｛F（t）｝為廣義載荷向量。

引起管道振動(dòng)的原因主要有管內(nèi)介質(zhì)脈動(dòng)、紊流引起的振動(dòng)、設(shè)備缺陷引起的振動(dòng)、水錘引起的振動(dòng)等［2］。能夠找到管系振動(dòng)的根本原因并順利解決為最優(yōu)方案，但是很多情況下的管系振動(dòng)是多重因素影響下的綜合結(jié)果，很難明確確認(rèn)振動(dòng)原因，或是由于主設(shè)備的固有特性無(wú)法更改，使得期望從根本上消除或減小激振力來(lái)消除或緩解管道振動(dòng)的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在這種狀態(tài)下只能從管系結(jié)構(gòu)本身入手，找到解決問(wèn)題的辦法。

由式（1）所示的振動(dòng)方程可知，從管系自身結(jié)構(gòu)特性來(lái)看，影響管系振動(dòng)特性的就是系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)阻尼以及系統(tǒng)剛度?，F(xiàn)役電廠(chǎng)中管道型號(hào)、走向等都已確定，重新改變管道質(zhì)量分布的工作量較大、經(jīng)濟(jì)性較差，因此對(duì)于現(xiàn)役管道的減振一般不從質(zhì)量矩陣方面考慮，可供選擇的振動(dòng)控制思路主要有以下2個(gè)方面。

（1）改變系統(tǒng)的阻尼。通過(guò)在適當(dāng)位置加裝阻尼器的方式，耗散管系結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量，降低振動(dòng)量值，減少結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，從而達(dá)到緩解管道振動(dòng)的目的［3］。

（2）改變系統(tǒng)的剛度。系統(tǒng)的固有頻率與振動(dòng)特性息息相關(guān)，當(dāng)外在激振頻率與系統(tǒng)固有頻率相接近時(shí)，容易產(chǎn)生共振。此外如果管系基頻過(guò)低（管系柔性過(guò)大），可能即使避開(kāi)了激振頻率，受到激振力作用后仍會(huì)導(dǎo)致管系振動(dòng)［4］。因而DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中明確規(guī)定管道一階固有頻率應(yīng)大于3.5Hz［5］。管道系統(tǒng)的固有頻率與其剛度特性有直接關(guān)系，一般剛度越大，其對(duì)應(yīng)的固有頻率越高，因而可通過(guò)加裝限位裝置的方式改變管系剛度來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有頻率，以避開(kāi)激振頻率或提高管系基頻。

2 振動(dòng)控制研究技術(shù)路線(xiàn)

建立管道振動(dòng)診斷與治理研究技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示，主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

（1）資料收集、宏觀檢查：包括管道系統(tǒng)布置、管道材料與規(guī)格、支吊架布置與類(lèi)型、運(yùn)行參數(shù)、介質(zhì)類(lèi)型與流速等相關(guān)資料收集，以及現(xiàn)場(chǎng)管道運(yùn)行狀態(tài)、支吊架性能狀態(tài)的宏觀檢查。

（2）振動(dòng)測(cè)試：在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下采用便攜式振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)定振動(dòng)管道的振動(dòng)頻率、振幅等參數(shù)，初步了解管道振動(dòng)形態(tài)、振動(dòng)等級(jí)等。同時(shí)也為后面的仿真分析提供對(duì)比參考數(shù)據(jù)。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)

（3）仿真分析：采用管系應(yīng)力分析軟件進(jìn)行管系靜態(tài)應(yīng)力校核和動(dòng)態(tài)仿真分析。管系靜態(tài)應(yīng)力校核目的是確保管系在實(shí)際工作狀態(tài)下各部位應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，以便判斷管道系統(tǒng)布置與設(shè)計(jì)的符合性、支吊架布置與設(shè)計(jì)的符合性等。管系動(dòng)態(tài)仿真分析主要用于分析管系振動(dòng)模態(tài)及頻率，以確定管系設(shè)計(jì)、支吊架布置與選型是否合理。

實(shí)際動(dòng)態(tài)仿真分析過(guò)程中需參照振動(dòng)測(cè)試結(jié)果不斷修正分析模型，直到仿真分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相吻合。并在此經(jīng)修正正確后的計(jì)算模型基礎(chǔ)上，考慮加設(shè)適當(dāng)?shù)臏p振裝置，驗(yàn)證多種減振方案，以便選擇最佳的處理方法，從而達(dá)到改變管系模態(tài)及頻率分布、降低管道振幅、消除管道振動(dòng)危害的目的。

（4）處理方案：對(duì)于在役汽水管道系統(tǒng)而言，管道規(guī)格、布置走向及支撐方式都已確定。通過(guò)改變管道走向、管徑、壁厚的方式不僅施工工作量大、周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性差，而且也無(wú)必要。因而最合適、經(jīng)濟(jì)的減振方法就是在保證管系應(yīng)力合格的前提下，不改變?cè)瓉?lái)支吊架的位置，僅在適當(dāng)位置加裝適當(dāng)減振裝置。常用的減振裝置主要包括剛性限位、液壓阻尼器和耗能型阻尼器，常用減振裝置特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 常用減振裝置特點(diǎn)對(duì)比

（5）方案實(shí)施：在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，按照處理方案加裝適當(dāng)?shù)臏p振裝置，同時(shí)將管系中工作性能異常的支吊架進(jìn)行調(diào)整或更換，確保施工質(zhì)量滿(mǎn)足方案中提出的各項(xiàng)技術(shù)要求。

（6）效果評(píng)估測(cè)試：機(jī)組重新啟動(dòng)后，采用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)管道振動(dòng)情況再次進(jìn)行測(cè)試，與處理前的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)參照DL/T 292—2011《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道振動(dòng)控制導(dǎo)則》［6］評(píng)價(jià)判斷處理后的管道振動(dòng)情況是否滿(mǎn)足要求。

3 工程實(shí)例

某電廠(chǎng)2×330 MW亞臨界機(jī)組高壓給水管道在機(jī)組運(yùn)行時(shí)鍋爐側(cè)存在明顯振動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)生振動(dòng)的管段主要位于省煤器進(jìn)口端水平段與相鄰的豎直管段（＃32吊架至＃40吊架之間），具體管道（鍋爐側(cè)）布置如圖2所示。管道振動(dòng)主要以水平方向的低頻振動(dòng)為主。隨著機(jī)組負(fù)荷的升高和運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，管道振動(dòng)越來(lái)越顯著，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖2 高壓給水管道（鍋爐側(cè)）布置

該高壓給水管道（隔離閥至省煤器入口段）規(guī)格，?406.4 mm×31 mm；材質(zhì)，15NiCuMoNb5－6－4；設(shè)計(jì)溫度，279.7℃；設(shè)計(jì)壓力，24.07 MPa。對(duì)該高壓給水管系進(jìn)行靜力校核計(jì)算顯示，管道支吊架選型合理、吊點(diǎn)荷載及熱位移與原設(shè)計(jì)計(jì)算一致，管系應(yīng)力合格。

在靜態(tài)分析模型的基礎(chǔ)上將主要振動(dòng)區(qū)域管道單元細(xì)化，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，詳細(xì)分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 高壓給水管道模態(tài)分析結(jié)果

綜上所述模態(tài)計(jì)算結(jié)果可知，整個(gè)模型的前三階振型都位于高壓給水管道的主要振動(dòng)管段，振型形態(tài)都呈現(xiàn)為水平向振動(dòng)，且對(duì)應(yīng)自振頻率均較小。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可知，現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)情況與仿真分析所得到的前三階振型與頻率基本相符。說(shuō)明該高壓給水管道的振動(dòng)除了內(nèi)部流體作用影響外，主要還是管道原設(shè)計(jì)水平向剛性不足造成的。

采用上述動(dòng)態(tài)仿真分析模型，針對(duì)管道原設(shè)計(jì)水平向剛性不足原因，驗(yàn)證多種減振裝置加裝方案，提高管系剛度，避開(kāi)對(duì)低階激振力的響應(yīng)，以減小管道的振動(dòng)。最終結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，選擇綜合加裝剛性限位、液壓阻尼器、黏滯液阻尼器這3種減振裝置，具體方案如下。加裝后的管道支吊架布置如圖4所示。

圖4 高壓給水管道布置（更改后）

（1）在＃38吊架與＃39吊架之間管段上加裝y向限位。

（2）在＃37吊架與＃38吊架之間水平管段上加裝黏滯液阻尼器。

（3）在＃36吊架與附近彎頭之間的管段上加裝x向液壓阻尼器。

（4）在＃33吊架與附近彎頭之間的管段上加裝y向液壓阻尼器。

考慮加裝減振裝置后的管道模態(tài)分析結(jié)果如圖5所示，計(jì)算結(jié)果顯示加裝減振裝置后，原振動(dòng)管段的自振頻率提高、振型幅度減小，管系剛度明顯加強(qiáng)。

圖5 加裝減振裝置后高壓給水管道模態(tài)分析結(jié)果

為準(zhǔn)確地掌握管道減振效果，在機(jī)組重啟后采用無(wú)線(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)管道振動(dòng)情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并與處理前的管道振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試過(guò)程中為便于傳感器的固定，測(cè)點(diǎn)均布置在支吊架的管夾上（測(cè)點(diǎn)編號(hào)即編為對(duì)應(yīng)的吊架編號(hào)），為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，1個(gè)測(cè)點(diǎn)1個(gè)方向測(cè)量3～4組數(shù)據(jù)，取其中振動(dòng)特性具有代表性的1組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。主要振動(dòng)區(qū)域的部分典型測(cè)點(diǎn)測(cè)試對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 處理前后管道振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由測(cè)試結(jié)果可知，處理前該管道水平向振動(dòng)明顯，管道最大振幅為6.0 mm左右，振動(dòng)頻率主要分布在1～2 Hz之間。依據(jù)DL/T 292—2011《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道振動(dòng)控制導(dǎo)則》計(jì)算該管道的最大峰值振動(dòng)速度為30.9 mm/s左右，嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。加裝減振裝置后，減振效果明顯，振動(dòng)幅度明顯減小，最大振幅僅為0.5 mm左右，計(jì)算所得最大峰值振動(dòng)速度為3.6 mm/s左右，符合標(biāo)準(zhǔn)［6］要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合應(yīng)用多種減振裝置，對(duì)某電廠(chǎng)330 MW機(jī)組高壓給水管道進(jìn)行了振動(dòng)治理，將其管道最大峰值振動(dòng)速度從30.9 mm/s左右降低到3.6 mm/s左右，使之滿(mǎn)足了相關(guān)規(guī)范要求，消除了管道振動(dòng)危害。本文從機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)方程入手，結(jié)合火電廠(chǎng)管道工作特性，通過(guò)宏觀檢查、振動(dòng)測(cè)試、仿真分析等研究手段建立了一套管道振動(dòng)控制研究方法，為火電廠(chǎng)管道振動(dòng)治理問(wèn)題提供了可供參考的經(jīng)驗(yàn)。

目前設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定［5］：管道一階固有頻率應(yīng)大于3.5 Hz，即單跨管道按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，其最大撓度值不應(yīng)大于2.62 mm。該規(guī)定實(shí)際只對(duì)管道豎直方向剛度有所要求，并未考慮到管道水平方向的剛度問(wèn)題，因而造成目前管道振動(dòng)故障多發(fā)生在水平方向，建議以后在設(shè)計(jì)階段對(duì)管道三向剛度問(wèn)題進(jìn)行全面的考慮。

［1］劉延柱，陳立群，陳文良.振動(dòng)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］趙星海，翟松，彭龍飛，等.火電廠(chǎng)管系振動(dòng)原因分析及減振方法［J］.鍋爐技術(shù)，2013，44（1）：67－71.

［3］刑景偉，趙星海，辛國(guó)華.電廠(chǎng)汽水管道振動(dòng)原因分析及解決對(duì)策［J］.能源研究與信息，2012，28（1）：18－23.

［4］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2009.

［5］火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定：DL/T 5054—1996［S］.

［6］火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道振動(dòng)控制導(dǎo)則：DL/T 292—2011［S］.

（本文責(zé)編：齊琳）

TM 621.4

B

1674－1951（2016）10－0037－03

胡鑫（1984—），男，浙江杭州人，工程師，從事管道檢驗(yàn)和應(yīng)力計(jì)算分析、管道振動(dòng)分析與治理及支吊架優(yōu)化調(diào)整等方面的工作（E-mail：xin－h(huán)u＠chder.com）。

2016－09－12；

2016－09－26