某1 000 MW機(jī)組主蒸汽-高旁管道振動(dòng)測(cè)試及分析

摘 要：針對(duì)某1 000 MW火電機(jī)組的主蒸汽-高旁管道振動(dòng)問(wèn)題，采用三向振動(dòng)傳感器對(duì)高旁管道、主蒸汽管道及附屬支吊架根部、格柵板、格柵板支撐鋼梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析。結(jié)果顯示，整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率一致，最大振動(dòng)區(qū)域位于高旁閥附近管段，從而明確振源并推導(dǎo)出清晰的振動(dòng)傳導(dǎo)鏈，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該管道振動(dòng)特有的頻率特征，完全有別于常規(guī)汽水管道的寬頻振動(dòng)情況，為后續(xù)振動(dòng)處理指明方向。

關(guān)鍵詞：振動(dòng);高旁管道;主蒸汽管道;頻率;格柵板

中圖分類號(hào)：TM621.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0072-05

Abstract： Aiming at the vibration problem of the main steam-high pressure bypass pipeline of a 1 000 MW thermal power unit， a three-way vibration sensor was used to conduct detailed on-site testing of the high pressure bypass pipeline， the root of the main steam pipeline and its auxiliary supports and hangers， the grid plate， and the grid plate supported steel beam structure. The test signals were analyzed in the time domain and frequency domain. The results showed that the vibration frequency of the entire system was consistent， and the maximum vibration area was located in the pipe section near the high pressure bypass valve， thus clarifying the vibration source and deriving a clear vibration conduction chain. At the same time， it was found that the unique frequency characteristics of the pipe vibration were completely different from the broadband vibration of conventional steam-water pipes， pointing out the direction for subsequent vibration treatment.

Keywords： vibration; high-pressure bypass pipe; main steam pipe; frequency; grid plate

高溫汽水管道是火電廠汽水流程的重要組成部分，具有高溫、高壓的惡劣運(yùn)行工況，是火電廠核心金屬部件之一，與機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，也是金屬監(jiān)督工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。由于高溫汽水管道設(shè)計(jì)時(shí)有一定的柔性要求（滿足管道自身的熱膨脹需求）[1]，造成高溫汽水管道一般剛性較弱，加之管內(nèi)高溫汽水介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定性，使得火電廠高溫汽水管道或多或少地存在一定的振動(dòng)狀況[2-5]。管道振動(dòng)帶來(lái)的動(dòng)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)持久性安全有著惡劣影響，管道異常振動(dòng)通常導(dǎo)致管道及連接部件的疲勞破壞，強(qiáng)烈的管道振動(dòng)則往往引起泄漏，甚至由于管道破裂可能引起爆炸等惡性事故，對(duì)設(shè)備甚至對(duì)人員生命造成嚴(yán)重?fù)p失，現(xiàn)實(shí)過(guò)程中因管道振動(dòng)導(dǎo)致的開(kāi)裂、泄漏、爆炸等失效故障更是不勝枚舉，因而對(duì)火電廠高溫汽水管道現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試分析，對(duì)評(píng)估管道振動(dòng)危害以及進(jìn)一步消除管道振動(dòng)故障具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

管道振動(dòng)的原因有多種，根據(jù)振源（激振力）分類，大體可以分為設(shè)備傳導(dǎo)振動(dòng)、管內(nèi)介質(zhì)傳導(dǎo)引起的流固耦合振動(dòng)、安全閥排汽引起的振動(dòng)、風(fēng)力引起的振動(dòng)和地震引起的振動(dòng)[6]。其中安全閥排汽引起的振動(dòng)、風(fēng)力引起的振動(dòng)、地震引起的振動(dòng)一般都是非持續(xù)性振動(dòng)，只是在特定時(shí)間、特點(diǎn)工況下的振動(dòng)響應(yīng)。由于火電廠管道內(nèi)汽水介質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性，管內(nèi)介質(zhì)傳導(dǎo)引起的流固耦合振動(dòng)往往是導(dǎo)致管道振動(dòng)的主要原因。根據(jù)流體激振類型的不同，又可以分為流體運(yùn)行壓力波動(dòng)引起的振動(dòng)、汽蝕引起的振動(dòng)、汽液兩相流引起的振動(dòng)、高速流引起的振動(dòng)和流動(dòng)瞬變引起的沖擊振動(dòng)等。

目前，火電行業(yè)汽水管道振動(dòng)案例眾多，管道振動(dòng)治理多采用現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量并結(jié)合現(xiàn)行振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)評(píng)判，利用模態(tài)分析、管道靜力校核計(jì)算簡(jiǎn)要分析管道受力情況，最后憑經(jīng)驗(yàn)感覺(jué)，通過(guò)去增設(shè)限位裝置、阻尼器等裝置提高管道剛度，用以改善管道振動(dòng)現(xiàn)象。所有對(duì)管道振動(dòng)開(kāi)展詳細(xì)的測(cè)試并分析是治理管道振動(dòng)的第一步，也是最重要的一步。

1 現(xiàn)場(chǎng)故障介紹

某1 000 MW二次再熱機(jī)組于2018年12月投產(chǎn)，鍋爐采用單爐膛塔式布置，機(jī)組布置有左右2路高壓主蒸汽管道，每路主汽管道在鍋爐標(biāo)高69 m水平管段上設(shè)置2組高旁分支三通（三通中心間距3 m），在三通上方1.5 m左右布置高旁閥，高旁閥后的2路高旁管道合為一路后連通至一次再熱冷段管道，單臺(tái)機(jī)組共有4組高旁閥，主要振動(dòng)區(qū)域管道如圖1所示。自機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，高旁閥附近的主汽、高旁管道一直存在明顯的高頻低幅振動(dòng)，并伴有較強(qiáng)噪聲?，F(xiàn)場(chǎng)初步感覺(jué)管道振動(dòng)通過(guò)吊架傳導(dǎo)至鍋爐鋼框架結(jié)構(gòu)上，進(jìn)一步傳導(dǎo)至鋼制格柵板上，引起鋼制格柵板的振動(dòng)，人員站立在鋼制格柵板上時(shí)，觸感非常顯著、腳底“發(fā)麻”，尤其是鍋爐11層爐前走廊格柵板平臺(tái)。

主蒸汽管道：設(shè)計(jì)壓力35.01 MPa、設(shè)計(jì)溫度610 ℃，主管規(guī)格ID305 mm×100 mm、材質(zhì)A335P92。

一次冷段管道：設(shè)計(jì)壓力12.83 MPa、設(shè)計(jì)溫度448 ℃，主管規(guī)格ID914 mm×57 mm、材質(zhì)A335P22。

高旁管道（高旁閥前）：設(shè)計(jì)壓力35.01 MPa、設(shè)計(jì)溫度610 ℃，規(guī)格ID222 mm×75 mm、材質(zhì)A335P92。

高旁管道（高旁閥后）：設(shè)計(jì)壓力12.83 MPa、設(shè)計(jì)溫度448 ℃，規(guī)格OD508 mm×35 mm（支管）/ OD711 mm×50 mm（主管）、材質(zhì)A335P91。

2 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試

為探究管道振動(dòng)原因，對(duì)該振動(dòng)機(jī)組高旁管道、主蒸汽管道及附屬支吊架根部、格柵板、格柵板支撐鋼梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，X向由固定端指向擴(kuò)建端，Y向由汽機(jī)指向鍋爐，Z向垂直向上。管道測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)表1，分左右兩側(cè)依次編號(hào)命名?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，傳感器布置在支吊架管夾上。

常規(guī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器，配套的濾波器、放大器、采集儀、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及分析終端等設(shè)備組成，本次測(cè)試采用美國(guó)CI公司的CoCo80X便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)，傳感器采用PCB壓電式ICP加速度計(jì)（SN：LW263380），采樣率4 kHz。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對(duì)該振動(dòng)機(jī)組高旁管道、主蒸汽管道及附屬支吊架根部、格柵板、格柵板支撐鋼梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，管道振動(dòng)測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)傳感器布置在支吊架管夾部位，基本可以反映所在管道的振動(dòng)情況。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

主管道、高旁閥、鋼結(jié)構(gòu)和格柵板振動(dòng)測(cè)試頻域曲線均顯示主要振動(dòng)頻率為102 Hz，管道振動(dòng)部分測(cè)點(diǎn)中還有一些10 Hz以內(nèi)的低頻成分、個(gè)別測(cè)點(diǎn)還有一些102 Hz的倍頻成分，不過(guò)主要振動(dòng)頻率基本都是102 Hz，其余頻率成分占比都不大。表3給出了部分測(cè)點(diǎn)的頻域曲線圖，據(jù)此推斷現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)是由同一激振源產(chǎn)生的振動(dòng)不斷傳導(dǎo)所致，該振源的激振頻率在102 Hz左右。

下面對(duì)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果按照管道（管部）、吊架根部、格柵板支撐鋼梁及格柵板進(jìn)行分類整理和分析，從而方便分析振動(dòng)的能量分布和傳遞路徑。

圖3和圖4分別給出了爐左、右兩側(cè)主蒸汽及高旁管道管部的振動(dòng)情況。從圖3可以看出，爐左側(cè)管道整體上在左08至左11測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)明顯比其他位置高，且X、Y、Z 3個(gè)方向振動(dòng)幅值相當(dāng)，也即#1、#2高旁閥附近振動(dòng)更為顯著。從圖4可以看出，爐5a9274ed1e6af75f12aa55fdb97732e1右側(cè)管道整體上在右04、右07及右11—15位置振動(dòng)較其他位置明顯且Z方向的振動(dòng)幅值明顯高于其他2個(gè)方向，右04和右11—15位置均為高旁閥附近，右07位于爐右側(cè)主蒸汽管道立管上。總體上看，高旁閥附近管段的管道振動(dòng)強(qiáng)于其他管段區(qū)域。

圖5和圖6分別給出了爐左、右兩側(cè)主蒸汽及高旁管道支吊架根部振動(dòng)情況。從中可以看出左12測(cè)點(diǎn)、右14測(cè)點(diǎn)的支吊架根部振動(dòng)明顯強(qiáng)于其他測(cè)點(diǎn)，X和Y方向的振動(dòng)強(qiáng)于Z向，上述測(cè)點(diǎn)位置也都是位于高旁閥附近管段。由于無(wú)法抵近所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，但整體上支吊架根部振動(dòng)大的位置與管部振動(dòng)情況對(duì)應(yīng)，均出現(xiàn)在高旁閥附近。

圖7給出了11層格柵板支撐鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果，圖8給出了11層格柵板振動(dòng)測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看出，格柵板振動(dòng)程度顯著強(qiáng)于支撐鋼結(jié)構(gòu)，且格柵板的Z向振動(dòng)程度強(qiáng)于X、Y向。格柵板的振動(dòng)與支撐鋼梁的振動(dòng)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，支撐鋼梁振動(dòng)越大、格柵板振動(dòng)越明顯，振動(dòng)劇烈的區(qū)域主要是電梯側(cè)主管道吊架附近、#3高旁閥下游吊架附近、#2號(hào)高旁閥下游吊架附近。這些位置也是支吊架的吊點(diǎn)所在位置。

從對(duì)管道（管部）、支吊架根部、格柵板支撐鋼梁及格柵板的振動(dòng)分析結(jié)果可以看出，該振動(dòng)主要集中在爐左、右兩側(cè)高旁閥所在管段、支吊架，以及支吊架的生根鋼梁和對(duì)應(yīng)鋼梁的格柵板上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，除了管道沒(méi)有其他可以產(chǎn)生引發(fā)振動(dòng)的振源，該振動(dòng)大概率是從高旁閥所在管段內(nèi)產(chǎn)生，沿著管道、支吊架、鋼梁及格柵板進(jìn)行傳導(dǎo)并耗散，整個(gè)振動(dòng)傳導(dǎo)鏈如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某1 000 MW塔式爐火電機(jī)組的主蒸汽-高旁管道振動(dòng)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了詳細(xì)的振動(dòng)測(cè)試工作，結(jié)合振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的時(shí)域及頻域分析結(jié)果，初步推斷出了振源位于高旁閥所在管段區(qū)域，并給出了振動(dòng)傳導(dǎo)鏈，為后續(xù)振動(dòng)處理指明了方向。與此同時(shí)，該管道振動(dòng)的頻域曲線還呈現(xiàn)出特有的單波峰特征，表現(xiàn)為單一特征頻率振動(dòng)，且該振動(dòng)頻率較高，并不是管道的低階固有頻率，有別于常規(guī)汽水管道的寬頻振動(dòng)情況，在此初步推測(cè)該管道振動(dòng)的原因?yàn)槁暳黢詈瞎舱馵7]，后續(xù)還將進(jìn)一步分析研究。

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第一作者簡(jiǎn)介：趙繼超（1979-），男，工程師，火電廠維護(hù)部主任。研究方向?yàn)殡姀S設(shè)備檢修及維護(hù)。