前置泵入口管道振動(dòng)分析、控制及安全性評(píng)定

張海 陳盛廣 王軍民

摘 要：某600MW機(jī)組前置泵入口管道在運(yùn)行過程中存在明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、管道模態(tài)分析，認(rèn)為管道振動(dòng)原因?yàn)榧ふ窳︻l率與其固有頻率一致引起管道共振所致。在管道模態(tài)分析、應(yīng)力校核計(jì)算的基礎(chǔ)上通過增加不同類型的減振裝置改變管道固有頻率的方法，避免管道產(chǎn)生共振，從而減小道振動(dòng)幅度。減振方案實(shí)施后管道振動(dòng)幅度明顯降低，管道應(yīng)力均合格。

關(guān)鍵詞：前置泵入口管道；振動(dòng)；頻率；振動(dòng)治理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.039

1 管道振動(dòng)概況

某600MW機(jī)組自投運(yùn)以來，前置泵入口管道存在振動(dòng)問題，尤其在特定工況及其相應(yīng)的介質(zhì)流量工況下，振動(dòng)更加明顯，曾造成前置泵地腳固定銷斷裂、阻尼器損壞，甚至造成停機(jī)事故，影響了該機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及安全性。前置泵入口管道一端連接除氧器，另一端連接前置泵，管系上布置有1只閥門及5只彎頭，管系設(shè)計(jì)較“軟”，在水介質(zhì)流量、壓力等因素變化的情況下，管道中流場(chǎng)的變化會(huì)在閥門及彎頭處產(chǎn)生激振力，激振力可激起管道的振動(dòng)。在特定負(fù)荷及其相應(yīng)的介質(zhì)流量工況下，流體產(chǎn)生的激振力與管道的振動(dòng)相耦合，則管道在特定工況下振動(dòng)幅度較大。在同樣激振力的情況下，管下剛度越小（水平方向約束不足），一般其相應(yīng)的振動(dòng)位移幅度越大[1]。為了機(jī)組的安全運(yùn)行，對(duì)前置泵入口管道振動(dòng)進(jìn)行原因分析及治理是必要的。

2 管道振動(dòng)原因分析

2.1 管道振動(dòng)特征測(cè)試

為了掌握前置泵入口管道的振動(dòng)特性及振動(dòng)原因，在管道振動(dòng)幅度相對(duì)較大時(shí)（機(jī)組負(fù)荷為600MW），選取測(cè)點(diǎn)（圖1#5支吊架位置）對(duì)管道振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，管道振動(dòng)頻率及峰峰值如表1所示，由此可知，管道主要以水平方向振動(dòng)為主（X方向振動(dòng)較大），在垂直方向振動(dòng)幅度較小，振動(dòng)主頻率在1Hz至3Hz范圍內(nèi)，振幅峰峰值達(dá)5.0mm，管道振動(dòng)總體特征是低頻高幅。

2.2 模態(tài)分析

引起管道振動(dòng)的原因較多，但從理論上來說都是由于激振力引起的。通過查閱原設(shè)計(jì)資料可知，該前置泵入口管道設(shè)計(jì)時(shí)， 主要考慮了管道的一次、二次應(yīng)力是否合格，但忽略了管道振動(dòng)特征。當(dāng)不穩(wěn)定的介質(zhì)經(jīng)過閥門、彎頭時(shí)產(chǎn)生激振力，從而激起管道振動(dòng)，尤其是激振力頻率與管道固有頻率接近將引起管道共振，危害更大。因此，有必要對(duì)管道的固有頻率進(jìn)行計(jì)算，從而判斷管道實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率是否與其固有頻率一致。本文采用CAESARⅡ2011軟件對(duì)前置泵入口管道進(jìn)行模態(tài)分析，主要計(jì)算參數(shù)見表2，管道固有頻率計(jì)算結(jié)果見表3。

模態(tài)分析結(jié)果表明，計(jì)算得到管道第一階固有頻率為1.9Hz，管道的第一階頻率所對(duì)應(yīng)的第一階振型以水平X方向?yàn)橹?，振型見圖2；計(jì)算得到管道第二階固有頻率為2.0Hz，第二階固有頻率對(duì)應(yīng)為水平Y(jié)方向的為主，振型見圖3。模態(tài)分析得到第一階及第二階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的管道主振特征相吻合。這說明機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，激振力頻率與管道固有頻率一致產(chǎn)生了共振，從而導(dǎo)致管道振幅增加。

3 管道振動(dòng)治理方案

針對(duì)前置泵入口管道設(shè)計(jì)較“軟”及特定工況下共振的情況，簡單且易實(shí)施的方案是增加不同類型的減振裝置。一方面增加水平方向的約束從而提高管系的剛度，增強(qiáng)管系抗振的能力；另一方面提高管系低階固有頻率（尤其是第一階及第二階固有頻率），使管系固有頻率“避開”激振力頻率中的低頻成部分，避免共振，從而降低管道振動(dòng)。

綜合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)特征及模態(tài)分析結(jié)果制定如下振動(dòng)治理方案：（1）增加#2a X向減振裝置、#8aX向減振裝置；（2）增加#5a阻尼器、#6a阻尼器；（3）將#1導(dǎo)向支架的管部與根部間間隙整改至設(shè)計(jì)值；（4）將#2、#3彈簧支吊架的載荷調(diào)整至設(shè)計(jì)安裝載荷值。

模態(tài)分析結(jié)果表明：增加減振裝置后，前置泵入口管道的第1階固有頻率由1.9Hz升高為3.3Hz，第2階固有頻率由2.0Hz升高為4.6Hz（表4），管道的固有頻率得到了明顯升高，產(chǎn)生共振的第1、2階振型消失，管道振動(dòng)得到了有效控制。

4 安全性評(píng)價(jià)

4.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

增加減振裝置后，管道的應(yīng)力狀態(tài)隨之發(fā)生了改變，因此，還應(yīng)通過應(yīng)力校核計(jì)算驗(yàn)算減振方案實(shí)施后管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力是否合格[2]。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：管道減振方案實(shí)施后，管道最大一次應(yīng)力及最大二次應(yīng)力分別為許用值的38.8%、12.6%，管道應(yīng)力合格，能滿足管道正常運(yùn)行的要求。

4.2 減振裝置對(duì)其生根地板的影響

前置泵入口管道振動(dòng)治理所增加的#5a、#6a阻尼器生根于混凝土地板上，因此，需要對(duì)管道振動(dòng)通過阻尼器傳遞到地板上的作用力進(jìn)行評(píng)價(jià)?；舅悸肥菍?duì)管道振動(dòng)時(shí)阻尼器管部的加速度進(jìn)行測(cè)試，然后測(cè)算阻尼器對(duì)地板的作用力，結(jié)果如表6所示，由此可知，阻尼器對(duì)地板的的最大作用力為5760N/ m2（作用面積為0.81m2），混凝土地板設(shè)計(jì)允許作用力為10000N/m2，因此，阻尼器對(duì)其生根地板的作用力在其允許范圍之內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪振華.振動(dòng)力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[2]電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T 5054-2016[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2016.

作者簡介：張海（1974-），男，本科，中級(jí)工程師，總經(jīng)理助理/電力生產(chǎn)委員會(huì)主任，研究方向：電廠熱能動(dòng)力工程。