發(fā)電廠汽水管道支吊架失效及管道振動治理

蘭作紅,周恒軍

（1.神華福能（福建雁石）發(fā)電有限責任公司，福建 龍巖 364000；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

發(fā)電廠汽水管道的安全可靠性取決于材質、受力狀態(tài)以及運行環(huán)境，其中支吊架裝置對管道的受力狀態(tài)影響較大，是近年來普遍關注的問題之一。支吊架具有安全承受管道荷載、合理約束管道位移、減小管道與連接設備的推力和扭矩、增加管系穩(wěn)定以及防止管道振動等功能。從多年來管道支吊架現場檢查情況來看，無論是在建機組或在役機組，普遍存在管道支吊架失效的問題。

以下總結了發(fā)電廠汽水管道支吊架失效形式和原因，同時針對主蒸汽管道存在低頻高幅振動問題，采用CAESAR軟件進行模態(tài)分析計算，提出治理方案。

1 支吊架主要失效形式

支吊架類型分為液壓阻尼器、導向裝置、限位裝置、固定點、剛性吊架、變力彈簧吊架和恒力彈簧吊架。通過機組停機前后支吊架的熱態(tài)檢查和冷態(tài)檢查，支吊架失效形式歸納為下述幾點：

（1）管道及支吊架位移受阻。主要為管道或支吊架與附近管道或設備干涉嚴重，發(fā)生管道膨脹受阻或者吊桿發(fā)生彎曲，通常為設計間距不夠、安裝偏差較大、實際位移偏離計算位移、布置空間狹窄等因素所致。

（2）恒力吊架狀態(tài)異常。表現為位移指針處于極限位置，造成管道膨脹受阻，局部應力升高，同時影響臨近吊架受力狀態(tài)。檢修期間發(fā)現鍋爐屏式再熱器管道發(fā)生彎曲，檢查發(fā)現爐頂恒力吊架處于極限位置，導致鍋爐運行時管道膨脹受阻，發(fā)生彎曲變形。

（3）彈簧吊架承載異常。表現為彈簧壓縮不足，導致該處吊點載荷比設計值偏?。粡椈蓧嚎s過量，導致該處吊點載荷比設計值偏大。檢查發(fā)現爐頂過熱器連接管彈簧熱態(tài)處于行程極限，管道熱態(tài)無法向上膨脹，導致吊桿彎曲。

（4）吊桿熱態(tài)偏斜嚴重。此類問題大多為安裝不良，未根據熱位移量進行偏裝。

（5）阻尼器油系統與行程異常。表現為漏油、冷熱態(tài)行程不足，使阻尼器在冷態(tài)或者熱態(tài)時處于極限位置而限制管道熱膨脹；當阻尼器發(fā)生漏油時會導致阻尼器自鎖功能失效，一旦安全閥排汽，阻尼器無法提供支撐力，巨大的排氣反力嚴重時會導致管道沖擊變形。

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（6）彈簧吊架鎖定裝置未拆除。整定式可變彈簧支吊架及恒力彈簧支吊架在出廠前均會整定至冷態(tài)位置，彈簧處于承載狀態(tài)，由鎖定銷鎖定。此時的支吊架為剛性支吊架。支吊架安裝達到安裝荷載后，應拔除鎖定銷，使管道在吊點處可以自由膨脹。

支吊架失效后（如恒力彈簧吊架處于極限位置、變力彈簧吊架載荷偏大或者偏小），都會使該吊點的管道位置與載荷偏離設計值，引起管道載荷重新分配，導致某些吊點載荷大幅增加，管道局部應力升高。失效的支吊架會對管道產生不正常的約束，使管道熱位移受到不合理限制，大大增加管道二次應力，直接影響管道壽命。

2 支吊架調整措施

根據支吊架冷熱態(tài)檢查結果和管系應力計算結果，調整措施如下：

（1）針對管道及支吊架位移受阻缺陷。通過拆除鎖定銷和增大預留間隙的方式，防止吊架與周邊設備干涉，確保管道冷熱態(tài)能自由膨脹。

（2）針對恒力吊架狀態(tài)異常的缺陷，分類進行調整。對于長期運行的管道，發(fā)生應力松弛等原因造成熱位移偏移的恒力吊架，采取調整吊桿長度來確保正常承載；對于管道與鍋爐接口膨脹節(jié)附近的恒力吊架，通過檢查膨脹節(jié)是否能正常吸收熱位移來確認恒力吊架吊點處熱位移偏差原因；對于安全閥附近的恒力吊架，通過消除阻尼器頂死造成的實際熱位移偏差來解決恒力吊架異常缺陷。

（3）針對爐頂彈簧吊架鍋爐運行期間發(fā)生失載，造成吊桿頂死彎曲的缺陷，通調整彈簧，使其正常承載同時確保足夠裕量吸收熱位移。

（4）對安裝錯誤的支吊架，如吊桿未偏裝、花籃螺母在梁中間位置等都要進行重新安裝。

（5）針對阻尼器由于長期運行造成漏油失效，通過更換新阻尼器同時安裝時調整阻尼器行程，確保其熱態(tài)正常運行。

3 主蒸汽管道模態(tài)分析

圖1 主蒸汽管道有限元模型

根據主蒸汽管道的設計圖紙和參數（見表1），利用有限元CAESAR軟件建立主蒸汽管道模型（見圖1），進行模態(tài)分析，得到前5階固有頻率（見表 2）。

表1 主蒸汽管道主要設計參數

表2 主蒸汽管道固有頻率計算結果

模態(tài)分析結果表明，主蒸汽管道第1階固有頻率0.91 Hz，其振型以彎頭處Y方向（汽機房-鍋爐房方向）為主（圖2表示彎頭處一階固有振型）；第2階固有頻率為1.32 Hz，振型以彎頭處X方向（固定端-擴建端方向）為主（圖3表示彎頭處二階固有振型）。模態(tài)分析的第1階及第2階固有頻率對應的振型與在現場觀察到的管道主振型特征相吻合。蒸汽存在壓力脈動，紊流蒸汽在彎頭處沖擊管壁產生激振力的頻率與管道固有頻率接近，產生共振，從而導致管道振幅明顯增加。

圖2 主蒸汽管道第1階振型

圖3 主蒸汽管道第2階振型

4 管道振動治理方案

4.1 振動方程分析

振動微分方程見式（1）：

第1項為管道系統慣性力；第2項為阻尼力；第3項為彈性力；第4項為外界激振力。

其解為：

由方程可知，管道系統可以通過改變系統質量、剛度，使其固有頻率適當偏離激振力頻率來避開共振，也可以通過增大系統的阻尼比，減小系統振動幅度。在役機組管道不宜通過改變管道尺寸參數，故改變管道質量不可行，只能通過改變系統剛度和阻尼來實行治理。

4.2 治理措施

4.2.1 采用增設限位支架改變管道剛度

管系的固有頻率與剛度有直接關系，剛度越大，其固有頻率越高。在管系上增設限位支架可以增大管系剛度，提高管系固有頻率從而偏離激擾力頻率避開共振。通過在1和4處增設X與Y向的限位，在2和3處增設X方向限位，如圖4所示。

經計算管系固有頻率得到大幅增加，但增設的限位支架改變了管道的膨脹走向。原設計在彎頭處Y反方向存在190 mm的熱位移，增設限位后彎頭處熱位移僅為30 mm。鍋爐過熱器出口的膨脹和水平管道自身產生的膨脹，無法得到合理釋放，管道二次應力超標。為保證應力合格，需要重新對管系進行布置，而且需要對管系支吊架進行大范圍選型更換，成本較大。

4.2.2 采用增設阻尼器改變管道阻尼比

管系在彎頭附近熱位移較大，采用增設限位支架會導致管系膨脹不暢，二次應力超標。阻尼器在不受突加載荷時為柔性支撐，能隨管系自由膨脹，當管系受外部載荷則自鎖成剛性拉桿，適用于低頻減振。根據模態(tài)計算結果，管系彎頭A和B處的振幅最大。結合鍋爐鋼結構布置情況，在管系位置5和7處增設Y方向阻尼器，在位置6和8處增設X向阻尼器，如圖5所示。同時調整調整彎頭附近彈簧支吊架。治理后，主蒸汽管道振幅大幅降低，減振效果明顯?？梢娫诠艿老到y振幅較大位置增設阻尼器后，增大了阻尼器比，減小了振幅放大系數，從而使管道振幅大幅降低。

圖4 主蒸汽管道限位支架布置

5 結語

支吊架狀態(tài)存在異常，會增加管道應力。根據現場檢查，結合工程實際經驗提出的相關調整措施，可有效解決支吊架的狀態(tài)異常，使管系受力合理。

主蒸汽管道高幅低頻振動是由于蒸汽壓力波動，在彎頭處產生的激振力擾動頻率與系統固有頻率接近引發(fā)共振引起。對管道進行模態(tài)分析，得到系統的固有頻率，結合現場情況增設阻尼器，有效地降低了管道的振動幅度。

圖5 主蒸汽管道阻尼器布置

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