基于ANSYS模態(tài)分析的減溫水管道振動問題分析與治理

趙岳 于景志 陳俠

摘要：核電廠常規(guī)島減溫水管道普遍存在強烈的振動，為確保管道系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需及時開展管道振動根本原因分析，以制定有效的振動治理方案。單純從現(xiàn)場采集振動數(shù)據(jù)以作為原因分析輸入存在明顯不足，本文通過現(xiàn)場振動試驗與有限元模態(tài)分析相結(jié)合的方法，獲取管線關(guān)鍵位置的振動參數(shù)及各點的振動大小和頻譜特性，并模態(tài)分析可準(zhǔn)確獲取管系主要頻率及振型。經(jīng)對現(xiàn)場振動問題開展多次分析可知，管道振動根本原因為流體激勵誘發(fā)結(jié)構(gòu)共振。本文從管道振動控制機理出發(fā)，結(jié)合ANSYS模態(tài)分析數(shù)據(jù)，確定減溫水管道振動控制的主要對策，并制定了相應(yīng)的振動治理方案。方案實施后，管系振動大幅下降，減振效果明顯，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。最后對模態(tài)分析結(jié)果進行了偏差分析，并與振動試驗數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果表明本文采用的模態(tài)分析結(jié)果有較高的置信度。

關(guān)鍵詞：ANSYS模態(tài)分析；減溫水管道；振動治理；振動試驗

1.引言

核電機組設(shè)置有凝結(jié)水系統(tǒng)（CEX）減溫水管道，其作用是為疏水?dāng)U容器、汽輪機排汽口噴淋系統(tǒng)及旁路蒸汽系統(tǒng)進入凝汽器的排汽提供減溫水。在調(diào)試期間對常規(guī)島管道進行振動普查時，發(fā)現(xiàn)該管道存在振動較大現(xiàn)象。

管道振動過大會加速材料疲勞損壞，縮短材料使用壽命，引發(fā)支吊架松動，使得管道載荷分布和應(yīng)力分布偏離設(shè)計要求，導(dǎo)致管道下沉、變形。一旦管道變形嚴重，輕則造成閥門元件或測量支管損壞，重則引發(fā)管道破裂、壓力邊界破壞，甚至導(dǎo)致停機。因此，必須開展管道振動根本原因分析，并采取相應(yīng)的治理措施，以降低或消除管道振動。相關(guān)資料表明，汽水管道振動問題大多都是由流體激勵引起的共振造成的，當(dāng)激勵力頻率等于或接近振動系統(tǒng)固有頻率時，將發(fā)生共振。通?？山柚鷮I(yè)儀器和分析軟件測量得到管道系統(tǒng)固有頻率和振型并判斷管道振動是否由共振引起，但專用儀器測量的使用會增加人力、物力成本，尤其是對于復(fù)雜的管道系統(tǒng)，其高階頻率測量難度高、精度差、周期長，所以理論計算分析對工程上確定固有頻率有著重要意義。本文擬采用ANSYS有限元軟件對管道系統(tǒng)進行模態(tài)分析，結(jié)合振動頻譜分析結(jié)果，以確定減溫水管道振動原因，完成振動治理方案。

2.管道振動描述

管道上設(shè)置有一個真空截止閥和電動調(diào)節(jié)閥，在管道投用時，電動調(diào)節(jié)閥全開。該管線共布置有四組支吊架，兩個支吊架為彎頭支架，兩個水平單拉桿剛性吊架。

目視檢查發(fā)現(xiàn)管道整體振動劇烈，手觸有酥麻感，并伴隨較大幅度晃動，閥門劇烈晃動。尤以彎頭處振動最為劇烈，振動幅度最大。劇烈振動還導(dǎo)致剛性吊架螺母松動。

3.振動原因分析

3.1振動頻譜分析

測振人員根據(jù)特征跨模型測點選取原則，選取晃動幅度最大處即垂直管段彎頭處為測點，進行振動測量，得到該管段振動頻譜和振動速度數(shù)據(jù)。振動峰值達22mm/s，主振頻率在7.4Hz、15.3Hz附近；Z向頻率雜亂，振動速度波形無明顯規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)場情況，可判斷該處振動主要存在于X、Y方向。

現(xiàn)場核查發(fā)現(xiàn)，該管道布置呈U型，并在U型管底部，布置有兩個閥門，這種布置極易使管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生流場擾動，流體沖擊管壁產(chǎn)生激振力，從而導(dǎo)致管道振動。從主振頻率來看，X、Y向振動頻率7.4Hz、15.3Hz，符合低速流體激振頻率范圍，因此初步判斷CEX系統(tǒng)凝汽器A背包減溫水管道振動是激振力引起的受迫振動，管道固有頻率落入流體激振力頻率范圍，產(chǎn)生共振。

管道支吊架在設(shè)計時，一般只考慮靜力計算，不考慮管道動態(tài)特性。根據(jù)管道設(shè)計資料，該管道屬于常溫管道，管道力學(xué)計算只考慮了支吊架的承載要求，而未考慮其減振功能。管道設(shè)計時除滿足強度需要外，還應(yīng)滿足一定剛度需要，CEX系統(tǒng)凝汽器A背包減溫水管道較長，彎頭多，初步判斷管道柔性較大。進一步分析振動頻譜，當(dāng)管道在X向隨機發(fā)生較大位移擺動時，產(chǎn)生兩種振動波形疊加的典型特征，說明管道同時存在較高頻率振動和較低頻率晃動，管道整體柔性偏大，導(dǎo)致管道產(chǎn)生較大幅度晃動。

3.2ANSYS模態(tài)分析

在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中，有限元模態(tài)分析本質(zhì)上是一種理論建模過程，它建立在系統(tǒng)振動微分方程基礎(chǔ)上。管道系統(tǒng)振動主要以梁式變形為主，可以歸類為多自由度線性振動問題，模態(tài)分析目的就是計算管道固有頻率和振型，確定其動力學(xué)特性。

根據(jù)該管線設(shè)計資料，利用ANSYS軟件對其建立有限元模型進行模態(tài)分析。從模態(tài)分析結(jié)果來看，該管道第3階和第6階固有頻率分別為7.41HZ、15.26HZ，這與前文振動頻譜中主振頻率吻合。因此可以判斷引起管道振動超限主要原因是管內(nèi)流體激勵引發(fā)的共振。管內(nèi)流體流場不穩(wěn)定，產(chǎn)生寬頻能量帶，當(dāng)管道固有頻率落在能量帶中，且與能量帶中幅值較高頻率一致時，便產(chǎn)生共振。

在ANSYS模態(tài)分析振動圖上，可以看出，在彎頭處，振動位移最大，這與現(xiàn)場驗證結(jié)果一致，證實管道柔性偏大。

4.振動治理方案

管道系統(tǒng)在隨機激勵下，會產(chǎn)生相應(yīng)響應(yīng)，正常運行管道系統(tǒng)振動微分方程如下：

由公式2、3、4可知，N自由度系統(tǒng)共有N個固有頻率，N個固有振動，N個固有振型。系統(tǒng)固有頻率和振型與外界激勵無關(guān)，由系統(tǒng)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣性質(zhì)決定。由公式5、6可知，要改變管線系統(tǒng)振動響應(yīng)，可考慮改變管系質(zhì)量分布、剛度和外部激勵源。多數(shù)情況下管道激擾力很難完全消除，管系振動難以完全避免，還需要采取措施盡量緩解振動，使其響應(yīng)控制在允許范圍之內(nèi)，即改善管系結(jié)構(gòu)特性。由于質(zhì)量矩陣在管道尺寸和管線形狀確定后，一般不可能有明顯的改變，所以改善管系振動特性主要方式為提高管系結(jié)構(gòu)剛度（即彈簧系數(shù)）或增加管系結(jié)構(gòu)阻尼。根據(jù)管道振動情況以及施工空間，決定采用以下處理措施：

a收緊剛性吊架吊桿，使之受力；

b考慮到該管道布置及現(xiàn)有生根情況，制定初步減振方案。通過在管道豎直管段增加X、Y向限位支架，增加管道剛度，降低管道振動水平。

5.振動改造效果

5.1 振動幅值

振動治理方案實施后，測振人員再次對管線進行振動信號采集。測量結(jié)果表明該管線振動速度值已低于限值，X、Y向振動速度值與改造前相比有大幅度降低，Z向振動有所抬升，但總體在合格范圍之內(nèi)，改造效果良好。

5.2 振動頻譜

對改造后的振動頻譜進行分析得到，管道主要優(yōu)勢頻率對應(yīng)振動峰值明顯降低，其中X方向振動峰值由22mm/s降低至3.2mm/s以下，Y方向振動峰值由24mm/s降低至3.0mm/s以下，這說明管道固有頻率已避開激勵能量較強頻率范圍。

5.3模態(tài)計算驗證

對治理后管道進行有限元模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)管道第3階和第6階固有頻率明顯發(fā)生變化，第三階固有頻率提高至13.37HZ，第六階固有頻率提高至23.98HZ，已經(jīng)避開了高能共振區(qū)，管道剛度大大增加。

5.4 計算偏差分析

將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，有限元計算結(jié)果與實際結(jié)果相差無幾，最大差值在3.9%之內(nèi)。計算結(jié)果偏差可能由以下幾個方面引起：計算模型邊界條件理想化、支吊架安裝位置偏差以及管道內(nèi)流體密度理想化（計算時認為介質(zhì)密度為1000kg/m?）等。

6.結(jié)論與建議

誠如前文所述，管道振動原因較多，而有效的振動治理必須依據(jù)準(zhǔn)確的原因分析。通過將ANSYS模態(tài)分析引入核電廠常規(guī)島減溫水管道振動原因分析，可準(zhǔn)確、高效實現(xiàn)管道超標(biāo)振動治理。同時，在研究及實踐中可知：

1.引發(fā)CEX系統(tǒng)凝汽器A背包減溫水管道振動主要原因為管道固有頻率在流體激振下發(fā)生共振，管系整體柔性過大導(dǎo)致管道晃動較大。

2.ANSYS模態(tài)分析可準(zhǔn)確獲取管道固有頻率和振型。本文通過將ANYSY計算結(jié)果與測試試驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明本ANSYS模態(tài)計算結(jié)果有較高置信度。

3.在針對多自由度振動、管道設(shè)計復(fù)雜尤其是測量儀器無法使用情況下，ANSYS模態(tài)分析對確定管道振動原因、驗證改造效果有極大幫助。

在開展CEX減溫水管道振動治理過程中也發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計上較多考慮管道強度，而對管道剛性設(shè)計及動態(tài)振動考慮不足，閥門及支管位置不合理，使得部分管道在運行狀態(tài)下存在先天不足，這也是導(dǎo)致國內(nèi)核電廠在運行之初都普遍開展管道振動治理的主要原因。因此建議在設(shè)計及安裝階段，將各運行電廠反饋的振動問題加以梳理，并及時將問題消除在設(shè)計階段。

本文通過將ANSYS模態(tài)分析引入振動分析及治理，解決了CEX減溫水管道超標(biāo)振動問題，消除了機組運行中的安全隱患，為國內(nèi)核電廠常規(guī)島管道振動治理提供較好的參考價值和借鑒意義。

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