某電廠前置泵入口管道振動(dòng)分析治理

邱鵬飛，崔懷遠(yuǎn)，程勇明，李楠林

(1.陜西國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西 神木 719319；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

管道振動(dòng)的危害很大，它可能加速材料的疲勞損壞，大大縮短材料的使用壽命；容易振松閥門元件導(dǎo)致控制失靈或泄漏，甚至造成停機(jī)事故；容易造成支吊架的損壞，引起連鎖失效反應(yīng)等[1]。電站管道振動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，涉及多方面因素。引起振動(dòng)的力稱之為激振力，按激振力的來(lái)源，可以將管道振動(dòng)歸納為機(jī)械振動(dòng)、流體振動(dòng)、閥門自激振動(dòng)、地震引起的振動(dòng)等幾種類型，其中以流體不穩(wěn)定流動(dòng)引起的振動(dòng)最為常見(jiàn)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外都對(duì)管道振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Chen[3]等人研究了管系中控制閥的運(yùn)行狀態(tài)與管道振動(dòng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)管系的振動(dòng)與控制閥快速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的蒸汽流激振有很大關(guān)系。Lafon和Caillaud[4]通過(guò)理論分析研究了蒸汽管道流固耦合作用與管道振動(dòng)的關(guān)系。Sreejith和Jayaraj[5]通過(guò)有限元分析以及實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)流固耦合作用與管道振動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了研究。Sun和Ledger[6]在對(duì)火力發(fā)電廠蒸汽管系設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了管系固有頻率對(duì)管系振動(dòng)的影響。李琳等研究了管道及管路系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)問(wèn)題[7]。任建亭研究了輸流管道系統(tǒng)振動(dòng)，提出輸流管的振動(dòng)控制以及管道動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)[8]。王樂(lè)勤研究了管道振動(dòng)因素以及消減管道振動(dòng)的技術(shù)方法[9]。

1 管道振動(dòng)概況

前置泵入口管道規(guī)格、材料、設(shè)計(jì)參數(shù)及管道、支吊架布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 振動(dòng)治理前管道支吊架及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

其中位于除氧器出口至前置泵進(jìn)口電動(dòng)門之間管段振動(dòng)最為明顯，主要表現(xiàn)為軸向竄動(dòng)。管道振動(dòng)已造成現(xiàn)有的支吊架根部膨脹螺栓松脫、支架焊口開裂、松動(dòng)等現(xiàn)象。根據(jù)振動(dòng)及機(jī)組運(yùn)行情況，在360 MW負(fù)荷工況下，不同給水流量下測(cè)量了管道的振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。測(cè)量?jī)x器：德國(guó)VIBXPERT Ⅱ，型號(hào)VIB 5.310。前置泵入口管道振動(dòng)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看出，前置泵入口管道的主振頻率范圍集中在2.75～13.50 Hz，主振頻率下管道振動(dòng)速度的最大值為28.26 mm/s；在各種頻率下的振動(dòng)速度最大值為58.17 mm/s，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)DL/T 292—2011規(guī)定的20.2 mm/s合格值。

表1 振動(dòng)治理前管道振動(dòng)測(cè)量結(jié)果

2 管道振動(dòng)原因及固有特性分析

原設(shè)計(jì)管道中3a號(hào)Y、Z向限位支架，5a號(hào)X、Y向限位支架，6a號(hào)X、Y向限位支架一定程度上增加了管道剛度，但阻礙了管道正常的熱位移，將會(huì)導(dǎo)致管道應(yīng)力增加，而且管道軸向竄動(dòng)較大，已經(jīng)造成個(gè)別支架生根變形。選取機(jī)組負(fù)荷360 MW，流量大于600 t/h時(shí)，測(cè)點(diǎn)1、2號(hào)X方向振動(dòng)速度時(shí)域圖和頻譜圖進(jìn)一步分析，見(jiàn)圖2～圖5。由圖可見(jiàn)，振動(dòng)較大的X方向的主振頻率為3.5～4.75 Hz，原設(shè)計(jì)管道在1—4號(hào)支吊架所在管段，沒(méi)有水平方向上阻尼和約束裝置，管系剛度低，在不均衡的流體的激振力作用下引起管道振動(dòng)，激勵(lì)頻率和管道系統(tǒng)固有頻率相吻合則會(huì)產(chǎn)生共振。

圖2 360 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)1-X方向振動(dòng)速度時(shí)域圖(流量大于600 t/h工況下)

圖3 360 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)1-X方向振動(dòng)速度頻譜圖(流量大于600 t/h工況下)

圖4 360 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)2-X方向振動(dòng)速度時(shí)域圖(流量大于600 t/h工況下)

圖5 360 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)2-X方向振動(dòng)速度頻譜圖(流量大于600 t/h工況下)

3 管道振動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)

管系節(jié)點(diǎn)微幅振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)微分方程一般形式由拉格朗日方程導(dǎo)出[10]，寫成矩陣型式如下：

式中：X為位移矩陣，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，F(xiàn)為激振力。

作為已投運(yùn)管道，質(zhì)量矩陣M很難改變，阻尼矩陣C一般可以通過(guò)加裝阻尼器，達(dá)到耗散沖擊振動(dòng)的能量，消減振動(dòng)。影響管系剛度的因素主要有管道走向、管徑、壁厚和管道支撐狀況。改變管道走向，減少?gòu)濐^的個(gè)數(shù)、增大管徑和壁厚，會(huì)導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)投入。此時(shí)如果激振頻率較為復(fù)雜，則治理的難度也將增大。針對(duì)實(shí)際工程情況，考慮經(jīng)濟(jì)和可行性，在滿足管道強(qiáng)度和熱位移的要求下，可通過(guò)在管道適當(dāng)位置設(shè)置限位裝置或拉撐桿改變剛度矩陣K，使管道某階固有頻率和振型消失，避免共振。

根據(jù)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[11-12]通過(guò)對(duì)管道剛度要求的規(guī)定，控制管道的一階固有頻率大于3.5 Hz，使之避開介質(zhì)的激勵(lì)頻率。采用管道應(yīng)力計(jì)算軟件動(dòng)力學(xué)分析模塊，建立管道減振前后的有限元模型。通過(guò)模態(tài)分析，可得到管道各階固有頻率以及相應(yīng)的振型，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)減振方案的效果作優(yōu)化分析。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道布置情況，經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬計(jì)算，提出以下減振措施：添加、改造振動(dòng)治理裝置有7處，分別是#1aXY雙向限位支架、#2aYZ雙向限位支架、#3bYZ雙向限位支架、#3aYZ雙向限位支架、#4aXZ雙向限位支架、#5aXY雙向限位支架、#6aXY雙向限位支架，具體增加位置見(jiàn)圖6。計(jì)算模型中設(shè)定所有支架均不限制管道任何方向熱位移，根據(jù)計(jì)算得到加裝支架點(diǎn)的熱位移值，實(shí)際安裝可選取大于計(jì)算位移20 mm為預(yù)留間隙，限位支架為單向限位，如#1a點(diǎn)計(jì)算熱位移X向-20 mm，Y向+1 mm，Z向-9 mm，則預(yù)留-X側(cè)40 mm間隙，+Y向預(yù)留21 mm間隙，#1a限位支架型式及結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7。表1、表2給出了管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，顯示管道應(yīng)力合格。因溫度基本不影響管道剛度，將計(jì)算模型運(yùn)行溫度設(shè)定為常溫，加裝限位支架，間隙設(shè)為0 mm，再模擬運(yùn)行時(shí)限位支架管部與根部接觸的狀況，表3給出了限位支架增加前后管道固有頻率計(jì)算結(jié)果，管道的固有頻率得到了明顯提高，可以有效避開激振頻率。

表2 管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 限位支架增加前后管道固有頻率計(jì)算結(jié)果

圖6 振動(dòng)治理前管道支吊架及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖7 限位支架型式及結(jié)構(gòu)示意圖

4 方案實(shí)施效果

在機(jī)組投運(yùn)以后，管道溫度達(dá)到工作溫度，管道充分膨脹以后，調(diào)節(jié)間隙支架使其根部與管道接觸，因限位支架均安裝在管道熱膨脹方向，機(jī)組停運(yùn)時(shí)，無(wú)需調(diào)節(jié)間隙支架，管道將恢復(fù)至冷態(tài)位。選擇管道振動(dòng)較大的工況進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可看出，振動(dòng)治理后，管道的主振頻率范圍集中在5.25～14.25 Hz，主振頻率下管道振動(dòng)速度的最大值為3.48 mm/s，在各種頻率下的振動(dòng)速度最大值為16.65 mm/s，均在標(biāo)準(zhǔn)DL/T 292—2006規(guī)定的20.2 mm/s合格值以內(nèi)。經(jīng)振動(dòng)治理后，振動(dòng)速度明顯減小，管道振動(dòng)狀況有明顯改善，振動(dòng)速度最大值比振動(dòng)治理前下降了71.4%。機(jī)組負(fù)荷420 MW，流量650 t/h時(shí)，測(cè)點(diǎn)1、2號(hào)X方向振動(dòng)速度時(shí)域圖和頻譜圖見(jiàn)圖8～圖11，實(shí)測(cè)主振動(dòng)頻率為8 Hz左右，頻譜結(jié)果比較吻合模擬計(jì)算結(jié)果。

表4 振動(dòng)治理后管道振動(dòng)測(cè)量結(jié)果

圖8 420 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)1-X方向振動(dòng)速度時(shí)域圖(流量650 t/h工況下)

圖9 420 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)1-X方向振動(dòng)速度頻譜圖(流量650 t/h工況下)

圖10 420 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)2-X方向振動(dòng)速度時(shí)域圖(流量650 t/h工況下)

圖11 420 MW負(fù)荷下測(cè)點(diǎn)2-X方向振動(dòng)速度頻譜圖(流量650 t/h工況下)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)前置泵入口管道存在的振動(dòng)情況進(jìn)行勘查、振動(dòng)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理，制定了有效治理措施，為解決此類問(wèn)題提供了參考：

1)原設(shè)計(jì)振動(dòng)管段，沒(méi)有水平方向上阻尼和約束裝置，管系剛度低，流體不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的激振力，與管道自有頻率產(chǎn)生共振，導(dǎo)致管道產(chǎn)生低頻高幅振動(dòng)。

2)在管道激振力無(wú)法消除時(shí)，改變管道剛度，可以使管道遠(yuǎn)離激振頻率從而避免共振的發(fā)生。針對(duì)易振管道，在管道設(shè)計(jì)時(shí)宜采用管道應(yīng)力計(jì)算軟件動(dòng)力學(xué)分析模塊，提高管道固有頻率。

3)加裝減振裝置，不能阻礙管道正常熱位移，確保管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力合格，保證管道安全運(yùn)行。