謝澄

（國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波315800）

高壓導(dǎo)汽管的振動(dòng)分析與治理

謝澄

（國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波315800）

通過(guò)對(duì)高壓導(dǎo)汽管的振動(dòng)測(cè)量和管道振動(dòng)模態(tài)分析，得到了管道的主振頻率、振動(dòng)幅值和各階固有頻率。詳細(xì)分析了管道的振動(dòng)特性，論述了理論計(jì)算和實(shí)際振動(dòng)形態(tài)之間的關(guān)系，綜合分析后制定了具體的管道振動(dòng)治理方案，采用冷態(tài)安裝和熱態(tài)適當(dāng)調(diào)整相結(jié)合的辦法，使機(jī)組啟動(dòng)后的管道振動(dòng)情況得到了明顯改善。

管道；振動(dòng)；主振頻率；振型；減振支架

1 管道振動(dòng)分析和治理

1.1 管道振動(dòng)的原因

電廠動(dòng)力管道振動(dòng)的影響因素很多。一般將引起振動(dòng)的力稱為激振力，根據(jù)激振力的來(lái)源，振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、流體振動(dòng)、閥門自激振動(dòng)、地震等，其中以流體振動(dòng)為主，主要有兩相流介質(zhì)不穩(wěn)定流動(dòng)引起的管道振動(dòng)、水錘引起的管道沖擊振動(dòng)、介質(zhì)渦流引起的管道振動(dòng)等。

1.2 管道振動(dòng)的危害

振動(dòng)對(duì)管道的危害很大，主要體現(xiàn)在：

（1）加速材料的疲勞損壞，縮短材料的使用壽命，使管道焊接頭破壞失效，引發(fā)災(zāi)難性事故。

（2）損壞閥門。閥頭的振動(dòng)頻率高于管道，容易振松閥門部件，導(dǎo)致閥門泄漏和控制失靈。

（3）容易損壞主管道上的支管及測(cè)量管，可能導(dǎo)致停機(jī)或危及人身安全。

1.3 管道振動(dòng)治理

管道振動(dòng)的治理通常是先分析管系的固有頻率，再通過(guò)調(diào)整其固有頻率來(lái)避開激振頻率，從而避免共振。管系的固有頻率與其剛度有直接關(guān)系，剛度越大，固有頻率就越高。管系固有頻率的調(diào)整主要通過(guò)調(diào)整管系剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。影響管系剛度的主要因素有管道走向、管徑、壁厚和支撐狀況。減少?gòu)濐^的個(gè)數(shù)、增大管徑和壁厚、增設(shè)支架等都能使管系的剛度增加。一般情況下，管徑、壁厚不容易改變，主要的手段是調(diào)整管道走向和管道支撐，而這二者中更常用的是通過(guò)增減管道的支架來(lái)改變管系的固有頻率。

管道振動(dòng)治理的原則是：在確保管系有適當(dāng)剛度的同時(shí)，必須保證其滿足管道剛度和適當(dāng)熱位移的要求。

2 管系振動(dòng)的測(cè)量和計(jì)算分析

2.1 管系振動(dòng)的測(cè)量

北侖電廠1號(hào)機(jī)組為600 MW亞臨界、單軸、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，有4條高壓導(dǎo)汽管。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，導(dǎo)汽管的振動(dòng)越來(lái)越大。為測(cè)取管路振動(dòng)的特征參數(shù)，在導(dǎo)汽管上布置了7個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，布置位置見圖1，每個(gè)測(cè)點(diǎn)從3個(gè)方向分別進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)量采集3～5組數(shù)據(jù)。

圖1 導(dǎo)汽管振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

導(dǎo)汽管振動(dòng)測(cè)量結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)觀察表明：4條導(dǎo)汽管沿導(dǎo)汽管汽流方向（東西向，以下簡(jiǎn)稱Z方向）及南北向（以下簡(jiǎn)稱X方向）存在較明顯的振動(dòng)，Z方向的振動(dòng)頻率以4.4～6.5 Hz為主，X方向以1.8～3.5 Hz為主。主要振動(dòng)特性如下：

（1）Z方向振動(dòng)頻率高于X方向的振動(dòng)頻率。導(dǎo)汽管上下振動(dòng)不明顯。

（2）1號(hào)和3號(hào)導(dǎo)汽管Z方向振動(dòng)頻率為4.4 Hz，最大振動(dòng)位移峰峰值約為2.0 mm；X方向的振動(dòng)頻率約為1.8 Hz，最大振動(dòng)位移峰峰值約為2.1 mm。

（3）2號(hào)和4號(hào)導(dǎo)汽管Z方向振動(dòng)頻率約為6.5 Hz，最大振動(dòng)位移峰峰值約為1.3 mm；X方向的振動(dòng)頻率約為3.2 Hz，最大振動(dòng)位移峰峰值為1.6 mm。

2.2 管系的固有振動(dòng)頻率計(jì)算

4根導(dǎo)汽管的管道規(guī)格為φ355.6×63 mm，設(shè)計(jì)壓力18.7 MPa，設(shè)計(jì)溫度545℃，材料為P22。

利用管道分析程序?qū)?dǎo)汽管進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，因管道為對(duì)稱布置，所以取1號(hào)和2號(hào)管為樣本，計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 1號(hào)高壓導(dǎo)汽管固有頻率計(jì)算結(jié)果

表2 2號(hào)高壓導(dǎo)汽管固有頻率計(jì)算結(jié)果

2.3 機(jī)組負(fù)荷對(duì)振動(dòng)的影響

經(jīng)檢測(cè)，管道振動(dòng)隨著機(jī)組負(fù)荷的增加而逐漸增大。這種管道振動(dòng)特點(diǎn)可以理解為：汽流流經(jīng)閥門和管道彎頭時(shí)，由于閥門節(jié)流和彎頭方向突變對(duì)汽流造成擾動(dòng)，擾動(dòng)產(chǎn)生激振力作用于管道，由于激振力頻率接近管道固有頻率而產(chǎn)生共振，引起管道振動(dòng)。隨著機(jī)組負(fù)荷增加，蒸汽流量增加，激振力增強(qiáng)，管道振動(dòng)也隨之加強(qiáng)。

2.4 管系振型特征分析

根據(jù)振幅及頻率測(cè)量結(jié)果（實(shí)際發(fā)生的管道振動(dòng)形態(tài)），對(duì)振型計(jì)算結(jié)果逐一對(duì)比分析，得出最符合實(shí)際振動(dòng)形態(tài)所對(duì)應(yīng)的振型及固有頻率：

（1）1號(hào)導(dǎo)汽管X方向振動(dòng)以第1階振型為主，對(duì)應(yīng)的主振頻率為1.852 Hz，見表1。

（2）1號(hào)導(dǎo)汽管Z方向振動(dòng)以第2階振型為主，對(duì)應(yīng)的主振頻率為4.434 Hz，見表1。

（3）2號(hào)導(dǎo)汽管X方向振動(dòng)以第1階振型為主，對(duì)應(yīng)的主振頻率為3.135 Hz，見表2。

（4）2號(hào)導(dǎo)汽管Z方向振動(dòng)以第3階振型為主，對(duì)應(yīng)的主振頻率為9.442 Hz，見表2。

另外，機(jī)組正常運(yùn)行尤其是滿負(fù)荷時(shí)，4個(gè)高壓調(diào)門處有清晰的金屬撞擊聲，根據(jù)前一次的檢修情況判斷，調(diào)門門桿與門桿套的間隙超標(biāo)，在汽流沖擊下發(fā)生了金屬間的撞擊，進(jìn)一步加劇了導(dǎo)汽管內(nèi)汽流的擾動(dòng)，增加了管道的振動(dòng)。

3 振動(dòng)治理

3.1 減振點(diǎn)的設(shè)置

從所測(cè)得的振型圖上看，必須對(duì)導(dǎo)汽管沿汽流方向及垂直于導(dǎo)汽管平面方向同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)治理才能取得較好效果。另外，測(cè)量出的頻率段較為集中，通過(guò)設(shè)計(jì)減振結(jié)構(gòu)可有效提高管道固有頻率，達(dá)到降低振動(dòng)的目的。為此，決定在導(dǎo)汽管上增加減振點(diǎn)，減振支架布置如圖2所示。

圖2 減振支架布置

（1）在進(jìn)汽缸前的垂直管道上增加X(jué)向限位支架1a，2a，3a，4a和Z向限位支架1c，2c，3c，4c。

（2）在主汽門所在水平管道上增加X(jué)向限位支架1d，2d，3d，4d。

3.2 導(dǎo)汽管最大應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)主汽門端點(diǎn)實(shí)際熱膨脹狀況，在管道加限位支架前后，分別對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行校核計(jì)算。管道最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

4 治理方案的實(shí)施及調(diào)整

在機(jī)組停運(yùn)、管道及汽輪機(jī)完全冷卻后，按照預(yù)先制訂的方案進(jìn)行施工。對(duì)于有預(yù)埋件的生根部位，采用減振支架直接與預(yù)埋件焊接的方式，沒(méi)有預(yù)埋件的則在水泥基礎(chǔ)上打孔，裝設(shè)鐵膨脹螺栓固定支架底板。

根據(jù)測(cè)量及計(jì)算的管道熱態(tài)膨脹量，在冷態(tài)時(shí)留出管道在熱態(tài)時(shí)前后左右需要的膨脹量，并通過(guò)調(diào)節(jié)限位支架上的調(diào)整螺栓來(lái)達(dá)到要求。

表3 高壓導(dǎo)汽管減振前后最大應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果

對(duì)4個(gè)高壓調(diào)門進(jìn)行解體，更換閥門內(nèi)動(dòng)靜間隙超標(biāo)的部件，使之符合設(shè)計(jì)要求。

機(jī)組達(dá)到額定負(fù)荷后，檢查導(dǎo)汽管的振動(dòng)及各限位支架調(diào)整螺栓與管道上包箍間的間隙，對(duì)仍有間隙及振動(dòng)偏大的支架用調(diào)整螺栓進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整完畢后，再次進(jìn)行管道測(cè)振。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)管道振動(dòng)綜合治理，機(jī)組重新啟動(dòng)投入正常運(yùn)行后，高壓導(dǎo)汽管振動(dòng)情況有明顯改善，振幅降至0.5 mm以下，降低幅度達(dá)70%，效果明顯。但是振動(dòng)頻率有所增大，原來(lái)主振頻率為4.4～6.5 Hz和1.8～3.5 Hz的振動(dòng)，幅值已小于0.12 mm，現(xiàn)在的主振頻率約為15 Hz（原來(lái)沒(méi)有這個(gè)頻率的振動(dòng)），這是因?yàn)楣艿绖傂栽黾拥木壒省?/p>

因?yàn)槭┕すて谒蓿蟛糠种Ъ懿捎迷诨炷粱A(chǔ)上打膨脹螺栓的固定方式，經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行后，在周期性強(qiáng)沖擊力作用下，膨脹螺栓已普遍松動(dòng)。說(shuō)明這類有強(qiáng)力沖擊載荷的部位不適宜用膨脹螺栓，而應(yīng)該采用與基礎(chǔ)混凝土鋼筋構(gòu)件結(jié)合或鋼梁埋件相焊接的形式，增加根部的穩(wěn)定性。

[1]DL/T 292-2011火力發(fā)電廠汽水管道振動(dòng)控制導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

（本文編輯：徐晗）

Analysis and Treatment of Vibration for High Pressure Steam Pipe

XIE Cheng
（Guodian Zhejiang Beilun No.1 Power Generation Co.，Ltd，Ningbo Zhejiang 315800，China）

Through the analysis of vibration measurement and model for the high pressure steam pipe，the main vibration frequency and amplitude as well as natural frequency of every step are obtained.This paper analyzes vibration characteristic in detail and discusses the relations between theoretical calculation and actual vibration form.The detailed vibration treatment scheme is formulated after comprehensive analysis.Pipe vibration is reduced greatly after unit startup by adopting the method of combining cold installation and hot adjustment.

pipe；vibration；main vibration frequency；vibration modes；vibration reduction support

TK268+.1

：B

：1007-1881（2012）02-0037-03

2011-09-08

謝澄（1968-），男，浙江寧波人，工程師，從事汽輪機(jī)及其輔機(jī)系統(tǒng)檢修技術(shù)管理工作。