轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐上升管振動(dòng)分析

遼陽市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所 遼寧 遼陽 111000

前言

在轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐試運(yùn)行以及生產(chǎn)工作開展中，本體循環(huán)管道，尤其是在上升管中經(jīng)常會發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。管道在使用過程中長期出現(xiàn)振動(dòng)問題，會導(dǎo)致支吊架出現(xiàn)松動(dòng)實(shí)效、局部的管道疲勞破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)管道泄露等事故等。且振動(dòng)會產(chǎn)生一定的噪聲，對生產(chǎn)操作人員的健康產(chǎn)生較大的影響，振動(dòng)的出現(xiàn)會產(chǎn)生往復(fù)推力，對于使用設(shè)備的安全與壽命之間產(chǎn)生最直接的影響，想要解決并控制管道中的振動(dòng)，對于爐汽化系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常重要。

一、管道振動(dòng)的成因

管是由管道及其部件、支架以及管道等相連接成為的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，會在激振力的誘發(fā)下產(chǎn)生振動(dòng)。管系所產(chǎn)生的振動(dòng)是機(jī)械振動(dòng)，出現(xiàn)的主要原因是管系自身的激擾力與管系外部的隨機(jī)荷載作用兩方面導(dǎo)致的，會出現(xiàn)管道連接的設(shè)備之間產(chǎn)生的振動(dòng)，以及管內(nèi)流體不穩(wěn)定所引起出現(xiàn)的振動(dòng)，系統(tǒng)外部的主要有地震、風(fēng)等因素。系統(tǒng)外部所引起的振動(dòng)，存在的時(shí)間比較短且消失速度比較快，一般是不進(jìn)行考慮的。

轉(zhuǎn)爐煉鋼是一個(gè)周期性的過程，每一個(gè)過程都包含了兌鐵水、加廢鋼以及吹氧等工藝，需要消耗掉36-38min，其中吹氧需要的時(shí)間為15min，并且在該過程中會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，?jīng)過汽化之后就會進(jìn)入到除塵系統(tǒng)中。轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的運(yùn)行工作開展，相應(yīng)的也是一個(gè)周期性的過程，在吹氧的過程中，汽化的煙道內(nèi)部會出現(xiàn)大量的蒸汽，蒸汽會形成汽水混合物的形狀，也就是汽液兩相流的形式，在本體的循環(huán)上升管中進(jìn)入到汽包中，在不吹氧的過程中，汽化的煙道中沒有熱源的存在，所以相應(yīng)的也沒有蒸汽存在，本體內(nèi)的循環(huán)管道介質(zhì)就是單項(xiàng)流動(dòng)。

對于管道振動(dòng)發(fā)生的機(jī)理，國內(nèi)外的專家學(xué)者展開了大量的研究工作，總體將其概述為以下方面，(1)流體動(dòng)脈變化，關(guān)系內(nèi)部的加壓設(shè)備在使用的過程中，會導(dǎo)致管道內(nèi)部的介質(zhì)壓力與流速之間呈現(xiàn)出周期性的變化，繼而產(chǎn)生介質(zhì)脈動(dòng)。(2)管道內(nèi)部流體的流動(dòng)狀況，因?yàn)楣芟滴恢貌贾玫牟缓侠?，以及管道元件對于流體產(chǎn)生的一些作用，都會導(dǎo)致介質(zhì)的流場出現(xiàn)突然的改變，就會出現(xiàn)管道振動(dòng)。管系中的機(jī)械動(dòng)力不夠均衡，與管系相連接的機(jī)械設(shè)備在使用過程中的動(dòng)力不均衡，也會導(dǎo)致設(shè)備自身出現(xiàn)振動(dòng)，工作中設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)引起管道的振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)。

結(jié)合工程開展的實(shí)際情況，從設(shè)備的現(xiàn)場運(yùn)行狀況來看，高壓強(qiáng)制循環(huán)工作開展中，下降管的流量計(jì)可以清楚的記錄曲線，在整個(gè)冶煉的周期中，高壓強(qiáng)制循環(huán)流量始終處在平穩(wěn)的發(fā)展中，出現(xiàn)的波動(dòng)也是比較平穩(wěn)的。對于轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐開展的現(xiàn)場的巡檢工作，也表明了汽化系統(tǒng)的使用設(shè)備以及設(shè)備在基礎(chǔ)無振動(dòng)發(fā)生，所以可以排除流體脈動(dòng)變化以及管系機(jī)械動(dòng)力不平衡出現(xiàn)的原因，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的本體循環(huán)上升管出現(xiàn)振動(dòng)，主要是因?yàn)楣艿纼?nèi)部的介質(zhì)流動(dòng)狀況所導(dǎo)致的。

二、管道振動(dòng)機(jī)理

氣液兩相流有著可變形的界面，并且存在不均勻的相分布，整個(gè)流動(dòng)的過程是比較復(fù)雜的，氣體的可壓縮性也會增加各種復(fù)雜程度。氣液兩相流的形態(tài)比較復(fù)雜，存在著比較多的流型，這樣的一種情況就導(dǎo)致出現(xiàn)不完全相等的密度出現(xiàn)，當(dāng)流體在經(jīng)過彎頭、異徑管等流體的流動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)，就會出現(xiàn)激振力，管道會在激振力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)。

上升管內(nèi)的介質(zhì)流行以及激振力，在某一瞬間，當(dāng)彎頭左側(cè)通過含有氣泡比較多的液體時(shí)，右側(cè)的管道彎頭中也主要以液體為主，這是彎頭流過的物質(zhì)質(zhì)量不同，流速相等管道的軸向分力不同，管道就會受到一個(gè)向右的軸向力，于是管道內(nèi)部的受力出現(xiàn)變化。

三、整改措施

在上升管的一階固有頻率附近發(fā)生振動(dòng)時(shí)，根據(jù)前面的先關(guān)分析，管道在各階層固有的頻率與激振評率相差20%以上，可以有效的避免出現(xiàn)共振的情況。并且有兩種有效的解決措施，減小流體的激振頻率，或者是增加管系的固有頻率。

減小流體的激振頻率需要改變管道的走向，改變流道的尺寸，或者是增加強(qiáng)制的循環(huán)水泵流量等措施，促使流體的流動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)改變，從而有效的達(dá)到改變激振的目的。針對于上述的方法，現(xiàn)今已經(jīng)投入到實(shí)際的生產(chǎn)工作中，應(yīng)用過程中需要的費(fèi)用、時(shí)間都比較多，不適宜采用。

提升關(guān)系固有的頻率，就需要通過提升管系結(jié)構(gòu)剛度，最佳的使用方法就是布置出合理的支吊架，并且在最為適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置剛性的約束固定支架、導(dǎo)向支架等其他的限位裝置。還可以縮小支吊點(diǎn)之間的間距，也就是增加支吊架的使用數(shù)量，或者是設(shè)置出振動(dòng)液壓阻尼龍器，也是非常有效的一種方法。液壓阻尼龍器是上個(gè)世紀(jì)七十年代的一種對于速度反應(yīng)比較靈敏的減震裝置，在工作開展的過程中，可以使用剛?cè)岵?jì)進(jìn)行描述。當(dāng)管道或者是水泵正常膨脹的情況下，可以在內(nèi)部緩慢的移動(dòng)，并不會產(chǎn)生阻尼力，當(dāng)荷載出現(xiàn)瞬變時(shí)，就會對管道產(chǎn)生一定的剛性約束，對管道或者是設(shè)備產(chǎn)生較大的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對管道的保護(hù)。

布置2根上升管，要保障管道的簡潔、短直，從支吊架設(shè)置的角度來看，在已經(jīng)設(shè)置支架的地方盡可能的選擇多設(shè)置管道的支吊架，并且同時(shí)結(jié)合經(jīng)歷分析計(jì)算，由相關(guān)的工作人員開展二次計(jì)算，并且在應(yīng)力允許的范圍之內(nèi)設(shè)置限位支架，部分的管段之間支架間距比較大，但是在其中并沒有新增支架的鋼結(jié)構(gòu)，所以不能增加新的支架，最終決定在振動(dòng)劇烈的部分，在其彎頭附近的純直管道上，增加以對水平方向上安裝成90°的液壓阻尼器。安裝阻尼器的過程中不需要更改支架的設(shè)置，對于關(guān)系的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力也沒有較大的影響，并且在管道的靜力學(xué)計(jì)算中也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

結(jié)語

管道中增設(shè)阻尼器至今運(yùn)行時(shí)間較長，上升管在實(shí)際運(yùn)行過程中，并沒有發(fā)生較大的振動(dòng)，所以證明整改工作的開展是比較成功的。