任文斌，許金輝，唐 璐

（1.國(guó)電蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

300MW機(jī)組主蒸汽管道振動(dòng)原因分析及處理

任文斌1，許金輝1，唐 璐2

（1.國(guó)電蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

某300MW機(jī)組在主蒸汽管道單閥切順序閥運(yùn)行后，主蒸汽管道振動(dòng)幅度明顯增加。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察和測(cè)量，結(jié)合模態(tài)分析得出主蒸汽管道振動(dòng)原因是激振力頻率與管道固有頻率一致引起管道共振。提出相應(yīng)的振動(dòng)處理方案，新增相應(yīng)阻尼器，設(shè)計(jì)了間隙可調(diào)節(jié)性限位支架，有效地減小了主蒸汽管道的振動(dòng)。

主蒸汽管道；振動(dòng)；模態(tài)分析；振動(dòng)治理

0 引言

某發(fā)電有限公司1號(hào)機(jī)組鍋爐系哈爾濱鍋爐廠(chǎng)有限公司的HG-1025／17.5-YM15型亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、控制循環(huán)燃煤汽包爐，采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式。汽機(jī)系哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司引進(jìn)美國(guó)WH公司的技術(shù)制造的型號(hào)為N330－16.7／538／538，反動(dòng)式、單軸、雙缸雙排汽，高中壓合缸、低壓缸分流、亞臨界中間一次再熱凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組于2006年4月投產(chǎn)運(yùn)行。

機(jī)組高調(diào)閥曾經(jīng)發(fā)生閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂，造成管道劇烈振動(dòng)。過(guò)后雖對(duì)閥門(mén)進(jìn)行修復(fù)，但是一次調(diào)頻動(dòng)作較大時(shí)，管道會(huì)發(fā)生較為明顯的振動(dòng)，最大振幅達(dá)到20.1 mm，尤其是單閥切換至順序閥運(yùn)行后，振動(dòng)明顯加劇，嚴(yán)重威脅到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)情況

主蒸汽管道規(guī)格：Φ448.3 mm×40 mm和Φ333mm×30mm，材質(zhì)為A335P91，設(shè)計(jì)溫度為546℃、設(shè)計(jì)壓力為17.6MPa。主蒸汽管道及支吊架布置圖如圖1所示。

機(jī)組在調(diào)頻變負(fù)荷過(guò)程中，標(biāo)高8.8m水平段，圖中14號(hào)和15號(hào)吊架所在水平管道軸向存在劇烈振動(dòng)；鍋爐側(cè)標(biāo)高63m水平段，5號(hào)吊架所在水平管道軸向存在劇烈振動(dòng)大，圖中2號(hào)和6號(hào)吊架所在立管管道存在劇烈振動(dòng)，相應(yīng)振幅和主振頻率如表1所示。

圖1 主蒸汽管道及支吊架布置

表1 主蒸汽管道振動(dòng)特征

2 振動(dòng)原因分析

主蒸汽管道的振動(dòng)是由作用在管系上的激振力引起的受迫振動(dòng)，這種激振力是由內(nèi)部流體激擾引起的，尤其是在變負(fù)荷過(guò)程中，管道內(nèi)部流體流動(dòng)速度的大小發(fā)生改變［1］。

1號(hào)主蒸汽管道原設(shè)計(jì)均采用懸吊方式支吊，管系水平方向上缺少約束裝置，整個(gè)管系只有21號(hào)，22號(hào)限位支架經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查已失效，Y向沒(méi)有任何限位約束裝置；主蒸汽管系柔性較好，剛度小，固有頻率較低，管道極易在流體的激振力作用下發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)激振力頻率等于或接近管道固有頻率時(shí)，將引起共振，管道振動(dòng)顯著加劇。

采用CAESARII管道計(jì)算軟件對(duì)主蒸汽進(jìn)行模態(tài)分析及應(yīng)力校核計(jì)算［2］。管道固有頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主蒸汽管道固有頻率計(jì)算結(jié)果

模態(tài)分析結(jié)果表明，計(jì)算的主蒸汽管道前4階固有頻率均低于1Hz，管道固有頻率較低，在低頻激振條件下，管道很容易產(chǎn)生振動(dòng)。其中，第3階頻率振型以軸向振動(dòng)為主，如圖2所示，其振型與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高63m管段主振動(dòng)特征相吻合；第6階頻率振型以軸向振動(dòng)為主，如圖3所示，其振型與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高8.8m管段主振型特征相吻合。由此可見(jiàn)，從順序閥切換后，主蒸汽管道振動(dòng)是激振力的頻率與第3階和第6階管道固有頻率一致，從而產(chǎn)生了共振，導(dǎo)致管道振動(dòng)顯著增加。

圖2 第3階模態(tài)f3=0.67Hz振型

圖3 第6階模態(tài)f6=1.42Hz振型

3 振動(dòng)處理方案

主蒸汽管道是一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)彈性體，其振動(dòng)問(wèn)題可視為具有有限多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于無(wú)阻尼系統(tǒng)，其頻率方程為

式中：K為剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣；ω為各階固有頻率。

由（1）式可得，多自由度系統(tǒng)的固有頻率與其質(zhì)量矩陣和剛度矩陣有關(guān)。主蒸汽管道已無(wú)法改變其布置，故管道質(zhì)量無(wú)法改變。因此，在保證管道應(yīng)力合格的前提下，可通過(guò)支吊架的合理布置，增設(shè)限位裝置或阻尼器以增加管道剛度，使管道具有較高的一階固有頻率，避開(kāi)相對(duì)低階激振力的響應(yīng)，從而減小管道的振動(dòng)［3］。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)情況，采取以下幾種處理措施：對(duì)失效的22號(hào)限位支架進(jìn)行修復(fù)，加固其生根部位，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性；新增6 A，15 A，16 A，19 A 4個(gè)阻尼器，限制所在各自水平管道軸向振動(dòng)，新增阻尼器所在位置如圖1所示；設(shè)計(jì)如圖4的新增14 A帶間隙的限位支架，冷態(tài)安裝時(shí)預(yù)留出熱態(tài)膨脹間隙，熱態(tài)貼合結(jié)構(gòu)面，有效限制軸向和徑向振動(dòng)［4］。

減振措施實(shí)施后，主蒸汽管道最大應(yīng)力值如表3所示，管道應(yīng)力計(jì)算值均小于許用值，管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力校核合格。

圖4 新增14A帶間隙的限位支架安裝

表3 減振后主蒸汽管道最大應(yīng)力值

該減振方案是安全的，不會(huì)造成管道應(yīng)力超標(biāo)。

減振方案實(shí)施后主蒸汽管道剛度增大，第一階固有頻率由0.22 Hz提高到2.11Hz，有效地避開(kāi)了低階激振共振頻率區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

主蒸汽管道缺少有效的限位裝置，僅有的限位支架失效導(dǎo)致管道剛度較小，固有頻率較低。當(dāng)運(yùn)行中轉(zhuǎn)為順序閥后，作用在管系上的激振力引起管道的受迫振動(dòng)，當(dāng)激振頻率與管道固有頻率接近時(shí)產(chǎn)生共振，管道振動(dòng)顯著增加。

在激振力無(wú)法消除的情況下，可以增加管系的剛度，增大管道的阻尼來(lái)改善主蒸汽管道振動(dòng)固有特性。新增阻尼器和帶間隙的限位支架大大增加了管道的剛度，從而有效地控制了管道振動(dòng)［5］。

減振方案實(shí)施后，有效地消除了主蒸汽管道的振動(dòng)，消除了機(jī)組運(yùn)行中的安全隱患，同時(shí)對(duì)于解決國(guó)內(nèi)其他電廠(chǎng)出現(xiàn)的高溫高壓蒸汽管道振動(dòng)問(wèn)題具有較好的參考價(jià)值和借鑒意義。

［1］劉習(xí)軍，賈啟芬.工程振動(dòng)理論與測(cè)試技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］方立.用CAESARII軟件進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算的幾個(gè)問(wèn)題探討［J］.化工設(shè)備與管道，2001，41（6）：40－43.

［3］唐璐，李英，仇云林，等.1 000MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水再循環(huán)管道振動(dòng)原因分析及治理［J］.電力科學(xué)與工程.2011，27（2）：72-74.

［4］唐璐.國(guó)電蓬萊電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組管道支吊架調(diào)整及主蒸汽管道振動(dòng)治理報(bào)告［R］.蘇州熱工研究院有限公司，2016.

［5］李英，唐璐.600MW機(jī)組鍋爐高壓給水管道振動(dòng)測(cè)試分析及治理［J］.浙江電力，2014，33（9）：45-48.

Cause Analysis and Elim ination of 300MW Unit M ain Steam Piping Vibration

REN W enbin1，XU Jinhui1，TANG Lu2
（1.Guo Dian Peng Lai Power Plant，Penglai，265601，China 2.Su Zhou Nuclear Power Institute，Suzhou，215004，China）

The vibration of amain steam pipe in one of a 300MW gnerator unit was found increasing after single-valve-tosequential-valve operation.The investigation on the reason of the pipe vibration was carried out in combination with modal analysis.It is find out that the frequency of exciting force is coherentwith the natural frequency of pipe，resulting in resonance vibration of the pipe.Necessary treatmentmeasures were conducted：four snubbers were added in and one customized limiting support is designed to restrict the pipe’s expansion displacement.The vibration treatment is proved effective，which eliminated the vibrations and ensured the unit safety running.

main steam piping；vibration；modal analysis；vibration elimination

TK222

A

1007－9904（2017）06－0057－03

2017-02-01

任文斌（1967），男，工程師，從事電廠(chǎng)生產(chǎn)檢修、設(shè)備及技術(shù)管理工作。