300 MW汽輪機(jī)導(dǎo)管振動(dòng)異常分析

高 峰

（秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北秦皇島 066003）

1 概述

秦皇島電廠一臺(tái)300 MW機(jī)組高壓導(dǎo)管疏水管246天內(nèi)發(fā)生3起斷裂故障：2015年10月26日，機(jī)組5#高調(diào)門疏水管座根部斷裂；2015年12月11日，5#高調(diào)門疏水管（水平中部）斷裂；2016年6月25日，3#高調(diào)門疏水管座根部斷裂。通過(guò)金屬試驗(yàn)分析，初步判斷疏水管為疲勞斷裂。疲勞斷裂的原因有3種可能：疏水管自身產(chǎn)生高頻振動(dòng)、導(dǎo)致疲勞斷裂，或?qū)Ч墚a(chǎn)生高頻振動(dòng)帶動(dòng)疏水管產(chǎn)生諧頻共振使管道疲勞斷裂；疏水管內(nèi)外壁溫差過(guò)大，內(nèi)應(yīng)力超出管道材料的屈服極限；由疏水管道內(nèi)汽水沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)所致。

2 機(jī)理分析

壓力管道系統(tǒng)的振動(dòng)主要來(lái)自于管道自身對(duì)穩(wěn)態(tài)激勵(lì)和瞬態(tài)激勵(lì)的響應(yīng)，其中瞬態(tài)激勵(lì)是管道系統(tǒng)振動(dòng)的主要因素。多數(shù)情況下，與管道系統(tǒng)連接的支吊架有支撐管道重量和固定的作用，管道振動(dòng)的破壞力大部分作用在支吊架上，當(dāng)支吊架發(fā)生故障而失去或部分失去作用時(shí)，管道振動(dòng)加劇。隨著機(jī)組高參數(shù)的提高，工質(zhì)參數(shù)變化范圍隨之變大，對(duì)管道沖擊的能量、激發(fā)起管道的振動(dòng)也就越大。管道在臨界流速下會(huì)發(fā)生顫振，管道的振幅隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)。

通常，汽水管道振動(dòng)又可以細(xì)分為5類。

2.1 管道自身的機(jī)械振動(dòng)

由機(jī)械旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的工頻激振力，會(huì)引起管道振動(dòng)。主要影響形式有2種：一是由于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的周期性不穩(wěn)定對(duì)管道產(chǎn)生與之頻率相應(yīng)的強(qiáng)迫激擾，從而引發(fā)汽水管道的振動(dòng)響應(yīng)；二是由于汽水管道的固有頻率通常階數(shù)較多，發(fā)生振動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械與汽水管道的諧頻共振概率也就較大。如往復(fù)式機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的各種不平衡慣性力以及缸內(nèi)壓力的的周期變化，構(gòu)成了機(jī)械自身振動(dòng)的特點(diǎn)。

2.2 流體脈動(dòng)

由于設(shè)備周期性、間歇性的工作點(diǎn)，管道內(nèi)的流體速度忽快忽慢，壓力忽高忽低，形成一種不穩(wěn)定的流體狀態(tài)，產(chǎn)生脈動(dòng)力，引發(fā)管道振動(dòng)。當(dāng)管道對(duì)于此脈動(dòng)的激勵(lì)響應(yīng)頻率與其自身的固有頻率重合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，造成管道強(qiáng)烈振動(dòng)。

2.3 汽液兩相流體的振動(dòng)

流體在管道流動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生相變，產(chǎn)生兩相流體。管道內(nèi)壁處在汽液兩相流體的紊流層時(shí)，會(huì)引發(fā)管道振動(dòng)。對(duì)于電廠汽水管道而言，流體在輸送過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生壓降，可能出現(xiàn)液體汽化現(xiàn)象。當(dāng)液化產(chǎn)生的氣泡破滅時(shí)，就會(huì)發(fā)生汽蝕，誘發(fā)管道產(chǎn)生振動(dòng)。

2.4 氣柱脈沖引起的振動(dòng)

管道內(nèi)的氣體可以壓縮、膨脹，所以氣柱本身是一個(gè)有連續(xù)質(zhì)量的彈性振動(dòng)系統(tǒng)，受到一定激發(fā)之后就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

2.5 調(diào)速器門閥芯間隙脈動(dòng)引起的振動(dòng)

由于調(diào)速器門閥芯配合出現(xiàn)間隙，將會(huì)導(dǎo)致汽流出現(xiàn)脈沖氣流的影響，脈沖氣流相當(dāng)于一個(gè)剛性較弱的彈簧，其變化周期就是閥芯與閥座撞擊的周期（圖1），會(huì)誘發(fā)導(dǎo)管振動(dòng)，甚至引起疏水管道諧頻共振。由于6個(gè)調(diào)速器閥疏水管道之間是串接的，受力點(diǎn)位置各有差異，因此疲勞斷裂的物理位置也有所不同。

所以，汽水管道振動(dòng)原因有2個(gè)：一是由導(dǎo)管道設(shè)計(jì)不當(dāng)（這里主要考慮支吊架的調(diào)整問(wèn)題）而引起的偶然荷載的沖擊；二是由汽流脈沖所致。

3 系統(tǒng)分析

機(jī)組高壓導(dǎo)管疏水管是作為機(jī)組啟停過(guò)程冷凝輸水的管路（管徑Φ48 mm，管材12Cr1MoV），運(yùn)行中處于關(guān)閉狀態(tài)。作為2壓缸進(jìn)汽輸送管路（6根），導(dǎo)管（管徑 Φ195 mm，管材 12Cr1MoV）為缸體進(jìn)汽提供汽源（分別由6個(gè)調(diào)門調(diào)節(jié)、2個(gè)主汽門控制）。

機(jī)組高壓導(dǎo)管疏水管頻繁斷裂，意味管道受到很大應(yīng)力。在短期內(nèi)使管材金屬特性發(fā)生裂變，是由于管壁材料的屈服強(qiáng)度逐步下降，以至于超出金屬材料的極限強(qiáng)度。金屬管壁受到的應(yīng)力主要是管壁溫差產(chǎn)生的，同時(shí)還有管道高頻振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力。疏水管道斷裂的金屬試驗(yàn)表明，材料內(nèi)部金屬成分及硬度未發(fā)生根本變化，因此不能排除管道疲勞損壞的因素。根據(jù)相關(guān)理論，進(jìn)一步闡明系統(tǒng)管道的受力情況。

3.1 水錘（汽錘）壓力分析

由于水錘（或汽錘）的作用，使固定架的動(dòng)載荷增加，增加量為 F＝10－6ραAΔv。其中，F(xiàn)為水錘載荷，ρ為流體密度，α 為傳播速度，A為流通面積，Δv為流速的瞬間變化量。

水錘（或汽錘）現(xiàn)象對(duì)管道危害很大。水錘（或汽錘）產(chǎn)生的沖擊力直接作用在管道上，使管道產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，當(dāng)水錘（或汽錘）壓力過(guò)大時(shí)可能引起管道漲鼓、爆裂。當(dāng)管道固有頻率與水錘引起管道的沖擊響應(yīng)頻率一致時(shí)引發(fā)管道振動(dòng)，嚴(yán)重影響管道的安全運(yùn)行。

3.2 汽流脈沖分析

由于汽閥脈動(dòng)引起的汽流脈沖，其能量相當(dāng)于安全閥的開啟能量，其流速為臨界流速（對(duì)于安全閥和排氣閥的出口壓力總是大于周圍的大氣壓力，這時(shí)所產(chǎn)生的氣體的流動(dòng)被稱之為臨界流速，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的排氣管的末端的各個(gè)參數(shù)被稱之為臨界參數(shù)。臨界中的壓力和流速被稱為臨界壓力和臨界流速）。

當(dāng)管道閥體閥瓣跳動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生不穩(wěn)定的汽流脈沖，導(dǎo)致閥瓣與閥座撞擊。同時(shí)，不穩(wěn)定的脈沖氣流激發(fā)管道固有頻率的響應(yīng)，即產(chǎn)生管道固有頻率的高次諧波共振（圖2、圖3）。由圖可以看出，管道的高次諧波兩側(cè)有較強(qiáng)低頻邊帶，主導(dǎo)了高次諧波分量的大小，并且占據(jù)了振動(dòng)通頻總量的95%以上。因此，臨界流速的汽流是激發(fā)管道振動(dòng)的根源，連接輸水管的疲勞斷裂源自高壓導(dǎo)管的高頻振動(dòng)。

圖1 調(diào)門閥芯受損

圖2 調(diào)門導(dǎo)管振動(dòng)測(cè)試低頻脈沖頻譜

圖3 調(diào)門導(dǎo)管振動(dòng)測(cè)試高頻諧振頻譜

4 振動(dòng)分析

導(dǎo)管振動(dòng)的能量來(lái)源有2個(gè)：一是外部能量輸入；二是管系受外力作用而產(chǎn)生的諧頻共振?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試的振動(dòng)信息如表1、表2所示。從表中可以看出，導(dǎo)管的振動(dòng)高頻能量突出且超出了常規(guī)范圍（碳鋼及低合金鋼管道最大峰值振動(dòng)速度（振動(dòng)烈度）vpeakMax<12.4 mm/s）。因此機(jī)組3#，6#高壓導(dǎo)管振動(dòng)超標(biāo)。

另外，從圖2、圖3可知，導(dǎo)管振動(dòng)出現(xiàn)（9±0.5）Hz低頻脈沖，且在管道固有頻率250.5～253.5 Hz兩側(cè)形構(gòu)成（1～3）×的邊帶（另一臺(tái)同型機(jī)組高壓導(dǎo)管實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率為256.5～258.0 Hz，無(wú)諧波、無(wú)邊帶），決定著振動(dòng)峰值總量的變化。由圖2可以看出，（9±0.5）Hz脈沖波呈周期性，判定管道發(fā)生共振，疏水管斷裂與導(dǎo)管的諧頻共振有關(guān)，而該諧頻共振由汽流脈沖引發(fā)。汽流脈沖產(chǎn)生的原因有2個(gè)：一是導(dǎo)管的鐘罩間隙變大；二是調(diào)門或主氣門閥芯的跳動(dòng)，即形成一種不穩(wěn)定汽流脈動(dòng)。

由此認(rèn)定，機(jī)組高壓調(diào)門的疏水管斷裂原因有2個(gè)：一是脆性斷裂，涉及管道質(zhì)量和管壁溫差問(wèn)題；二是疲勞斷裂，涉及管道高頻共振（即諧波共振）。

表1 3#調(diào)門導(dǎo)管（東西）振動(dòng)數(shù)據(jù)

表2 6#調(diào)門導(dǎo)管（東西）振動(dòng)數(shù)據(jù)

從現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，導(dǎo)管加固在一定程度降低了導(dǎo)管的振動(dòng)位移量值，但從其高頻能量分析來(lái)看，數(shù)值變化不大，直到6#調(diào)門被限制后才發(fā)生了根本變化，表明導(dǎo)管存在高頻諧波共振。由初始測(cè)量的低頻脈沖能量可知，10 Hz（存在（1～5）×諧波）左右的諧波脈沖頻率說(shuō)明系統(tǒng)產(chǎn)生了連續(xù)的、低頻脈沖氣流，與管道某階固有頻率同步，導(dǎo)致導(dǎo)管的諧波共振。

隨著導(dǎo)管加固的優(yōu)化，導(dǎo)管的共振頻率也逐漸提高（最大達(dá)到293 Hz，邊帶頻率達(dá)到21 Hz），說(shuō)明閥芯的磨損量在增大、脈沖頻率也在提高。6#調(diào)門被限死之后，導(dǎo)管的共振頻率降至249 Hz，低頻調(diào)制的信號(hào)消失。表1、表2的數(shù)據(jù)變化也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

5 總結(jié)分析

通過(guò)實(shí)地勘察和現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)管振動(dòng)測(cè)試，得出結(jié)論如下。

（1）管道振動(dòng)頻率：50 Hz（軸頻）、250.5～255.5 Hz（管道自振頻率。同比4#機(jī)為256.5～258 Hz），有諧波脈沖；低頻調(diào)制頻率為（9±0.5）Hz反映了汽流的脈沖能量（另一臺(tái)同型機(jī)組高壓導(dǎo)管同工況無(wú)這種能量），是管道振動(dòng)的主要特點(diǎn)。

（2）高壓導(dǎo)管道疏水管斷裂與導(dǎo)管的諧頻共振有關(guān)，該諧頻共振是由汽流脈沖引發(fā)的（缸體是傳遞能量的導(dǎo)體），輸水管連接狀態(tài)（即受力形式）決定了斷裂的位置。

（3）汽流脈沖的引發(fā)，涉及高壓導(dǎo)管的鐘罩間隙變大和調(diào)門或主氣門的閥芯跳動(dòng)，即6#高調(diào)門閥芯的泄流產(chǎn)生脈動(dòng)。

6 故障處理

（1）消減管道振動(dòng)。措施有：消減管系的激擾力，如減少機(jī)械振動(dòng)、流體脈動(dòng)、兩相流體、水錘（或氣錘）等；增加緩沖器，少用（大轉(zhuǎn)角）彎頭、異徑管等，節(jié)流減壓閥前后布置足夠長(zhǎng)度的直管；提高管道結(jié)構(gòu)的剛度，不僅可以提高管道系統(tǒng)的固有頻率、減少對(duì)激勵(lì)源的振動(dòng)響應(yīng)，而且在一定程度上還可以減小管系的振動(dòng)幅值。

（2）增加管道結(jié)構(gòu)阻尼。措施有：加設(shè)汽水管道阻尼器，提高管道固有頻率；加裝制止管道擺動(dòng)、振動(dòng)或沖擊的控制裝置。

（3）改變管道的固有頻率。措施有：核對(duì)脈沖汽流產(chǎn)生的根源，消除激振力；核對(duì)疏水系統(tǒng)完善程度（包括管路暢通、閥芯跳動(dòng)等），消除疏水管路分支局部和沿程阻力帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題。

從2016年10月至2017年3月加固導(dǎo)管的處理過(guò)程來(lái)看，導(dǎo)管的位移量有所減小，但沖擊能量一直居高不下。2017年1月13日對(duì)高壓6#調(diào)門的強(qiáng)行限制后振動(dòng)有所改觀。在機(jī)組大修中檢查調(diào)門，發(fā)現(xiàn)6#調(diào)門閥芯有明顯汽流沖刷痕跡，閥體外沿有沖擊產(chǎn)生的撞擊痕跡。因此，處理方案即為閥芯球面的研磨處理以及可能產(chǎn)生松動(dòng)的維護(hù)處理。

［1］孫奉仲.大型汽輪機(jī)運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［2］方遠(yuǎn)喬，陳安寧，董衛(wèi)平.振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1992.