蘭作紅,周恒軍

（1.神華福能（福建雁石）發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 龍巖 364000；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

發(fā)電廠汽水管道的安全可靠性取決于材質(zhì)、受力狀態(tài)以及運(yùn)行環(huán)境，其中支吊架裝置對(duì)管道的受力狀態(tài)影響較大，是近年來(lái)普遍關(guān)注的問(wèn)題之一。支吊架具有安全承受管道荷載、合理約束管道位移、減小管道與連接設(shè)備的推力和扭矩、增加管系穩(wěn)定以及防止管道振動(dòng)等功能。從多年來(lái)管道支吊架現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，無(wú)論是在建機(jī)組或在役機(jī)組，普遍存在管道支吊架失效的問(wèn)題。

以下總結(jié)了發(fā)電廠汽水管道支吊架失效形式和原因，同時(shí)針對(duì)主蒸汽管道存在低頻高幅振動(dòng)問(wèn)題，采用CAESAR軟件進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，提出治理方案。

1 支吊架主要失效形式

支吊架類型分為液壓阻尼器、導(dǎo)向裝置、限位裝置、固定點(diǎn)、剛性吊架、變力彈簧吊架和恒力彈簧吊架。通過(guò)機(jī)組停機(jī)前后支吊架的熱態(tài)檢查和冷態(tài)檢查，支吊架失效形式歸納為下述幾點(diǎn)：

（1）管道及支吊架位移受阻。主要為管道或支吊架與附近管道或設(shè)備干涉嚴(yán)重，發(fā)生管道膨脹受阻或者吊桿發(fā)生彎曲，通常為設(shè)計(jì)間距不夠、安裝偏差較大、實(shí)際位移偏離計(jì)算位移、布置空間狹窄等因素所致。

（2）恒力吊架狀態(tài)異常。表現(xiàn)為位移指針處于極限位置，造成管道膨脹受阻，局部應(yīng)力升高，同時(shí)影響臨近吊架受力狀態(tài)。檢修期間發(fā)現(xiàn)鍋爐屏式再熱器管道發(fā)生彎曲，檢查發(fā)現(xiàn)爐頂恒力吊架處于極限位置，導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行時(shí)管道膨脹受阻，發(fā)生彎曲變形。

（3）彈簧吊架承載異常。表現(xiàn)為彈簧壓縮不足，導(dǎo)致該處吊點(diǎn)載荷比設(shè)計(jì)值偏?。粡椈蓧嚎s過(guò)量，導(dǎo)致該處吊點(diǎn)載荷比設(shè)計(jì)值偏大。檢查發(fā)現(xiàn)爐頂過(guò)熱器連接管彈簧熱態(tài)處于行程極限，管道熱態(tài)無(wú)法向上膨脹，導(dǎo)致吊桿彎曲。

（4）吊桿熱態(tài)偏斜嚴(yán)重。此類問(wèn)題大多為安裝不良，未根據(jù)熱位移量進(jìn)行偏裝。

（5）阻尼器油系統(tǒng)與行程異常。表現(xiàn)為漏油、冷熱態(tài)行程不足，使阻尼器在冷態(tài)或者熱態(tài)時(shí)處于極限位置而限制管道熱膨脹；當(dāng)阻尼器發(fā)生漏油時(shí)會(huì)導(dǎo)致阻尼器自鎖功能失效，一旦安全閥排汽，阻尼器無(wú)法提供支撐力，巨大的排氣反力嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道沖擊變形。

我們看到，黃劍近二十年來(lái)，在城市環(huán)境雕塑和公共藝術(shù)方面，在雕塑藝術(shù)的材質(zhì)、素材、特定空間及其文化的關(guān)系上，進(jìn)行了諸多的嘗試和探索。從奧運(yùn)、科技、景觀題材、地方文化塑造等主題性藝術(shù)的創(chuàng)作，到其他特定場(chǎng)所、事件的藝術(shù)融入方面，收獲了諸多經(jīng)驗(yàn)與成果。這與她的藝術(shù)熱情、追求、意志是分不開的。黃劍的雕塑形態(tài)是她的心性表達(dá)，也是時(shí)代和社會(huì)現(xiàn)實(shí)需求的反映。對(duì)于真善美和創(chuàng)造性內(nèi)涵有著執(zhí)著追求的當(dāng)代女藝術(shù)家，黃劍創(chuàng)作的諸多雕塑作品，在城市雕塑和公共藝術(shù)等領(lǐng)域已經(jīng)呈現(xiàn)出自身的面貌和獨(dú)到的藝術(shù)業(yè)績(jī)。

（6）彈簧吊架鎖定裝置未拆除。整定式可變彈簧支吊架及恒力彈簧支吊架在出廠前均會(huì)整定至冷態(tài)位置，彈簧處于承載狀態(tài)，由鎖定銷鎖定。此時(shí)的支吊架為剛性支吊架。支吊架安裝達(dá)到安裝荷載后，應(yīng)拔除鎖定銷，使管道在吊點(diǎn)處可以自由膨脹。

支吊架失效后（如恒力彈簧吊架處于極限位置、變力彈簧吊架載荷偏大或者偏?。?，都會(huì)使該吊點(diǎn)的管道位置與載荷偏離設(shè)計(jì)值，引起管道載荷重新分配，導(dǎo)致某些吊點(diǎn)載荷大幅增加，管道局部應(yīng)力升高。失效的支吊架會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生不正常的約束，使管道熱位移受到不合理限制，大大增加管道二次應(yīng)力，直接影響管道壽命。

2 支吊架調(diào)整措施

根據(jù)支吊架冷熱態(tài)檢查結(jié)果和管系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，調(diào)整措施如下：

（1）針對(duì)管道及支吊架位移受阻缺陷。通過(guò)拆除鎖定銷和增大預(yù)留間隙的方式，防止吊架與周邊設(shè)備干涉，確保管道冷熱態(tài)能自由膨脹。

（2）針對(duì)恒力吊架狀態(tài)異常的缺陷，分類進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的管道，發(fā)生應(yīng)力松弛等原因造成熱位移偏移的恒力吊架，采取調(diào)整吊桿長(zhǎng)度來(lái)確保正常承載；對(duì)于管道與鍋爐接口膨脹節(jié)附近的恒力吊架，通過(guò)檢查膨脹節(jié)是否能正常吸收熱位移來(lái)確認(rèn)恒力吊架吊點(diǎn)處熱位移偏差原因；對(duì)于安全閥附近的恒力吊架，通過(guò)消除阻尼器頂死造成的實(shí)際熱位移偏差來(lái)解決恒力吊架異常缺陷。

（3）針對(duì)爐頂彈簧吊架鍋爐運(yùn)行期間發(fā)生失載，造成吊桿頂死彎曲的缺陷，通調(diào)整彈簧，使其正常承載同時(shí)確保足夠裕量吸收熱位移。

（4）對(duì)安裝錯(cuò)誤的支吊架，如吊桿未偏裝、花籃螺母在梁中間位置等都要進(jìn)行重新安裝。

（5）針對(duì)阻尼器由于長(zhǎng)期運(yùn)行造成漏油失效，通過(guò)更換新阻尼器同時(shí)安裝時(shí)調(diào)整阻尼器行程，確保其熱態(tài)正常運(yùn)行。

3 主蒸汽管道模態(tài)分析

圖1 主蒸汽管道有限元模型

根據(jù)主蒸汽管道的設(shè)計(jì)圖紙和參數(shù)（見表1），利用有限元CAESAR軟件建立主蒸汽管道模型（見圖1），進(jìn)行模態(tài)分析，得到前5階固有頻率（見表 2）。

表1 主蒸汽管道主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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，主蒸汽管道第1階固有頻率0.91 Hz，其振型以彎頭處Y方向（汽機(jī)房-鍋爐房方向）為主（圖2表示彎頭處一階固有振型）；第2階固有頻率為1.32 Hz，振型以彎頭處X方向（固定端-擴(kuò)建端方向）為主（圖3表示彎頭處二階固有振型）。模態(tài)分析的第1階及第2階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型與在現(xiàn)場(chǎng)觀察到的管道主振型特征相吻合。蒸汽存在壓力脈動(dòng)，紊流蒸汽在彎頭處沖擊管壁產(chǎn)生激振力的頻率與管道固有頻率接近，產(chǎn)生共振，從而導(dǎo)致管道振幅明顯增加。

圖2 主蒸汽管道第1階振型

圖3 主蒸汽管道第2階振型

4 管道振動(dòng)治理方案

4.1 振動(dòng)方程分析

振動(dòng)微分方程見式（1）：

第1項(xiàng)為管道系統(tǒng)慣性力；第2項(xiàng)為阻尼力；第3項(xiàng)為彈性力；第4項(xiàng)為外界激振力。

其解為：

由方程可知，管道系統(tǒng)可以通過(guò)改變系統(tǒng)質(zhì)量、剛度，使其固有頻率適當(dāng)偏離激振力頻率來(lái)避開共振，也可以通過(guò)增大系統(tǒng)的阻尼比，減小系統(tǒng)振動(dòng)幅度。在役機(jī)組管道不宜通過(guò)改變管道尺寸參數(shù)，故改變管道質(zhì)量不可行，只能通過(guò)改變系統(tǒng)剛度和阻尼來(lái)實(shí)行治理。

4.2 治理措施

4.2.1 采用增設(shè)限位支架改變管道剛度

管系的固有頻率與剛度有直接關(guān)系，剛度越大，其固有頻率越高。在管系上增設(shè)限位支架可以增大管系剛度，提高管系固有頻率從而偏離激擾力頻率避開共振。通過(guò)在1和4處增設(shè)X與Y向的限位，在2和3處增設(shè)X方向限位，如圖4所示。

經(jīng)計(jì)算管系固有頻率得到大幅增加，但增設(shè)的限位支架改變了管道的膨脹走向。原設(shè)計(jì)在彎頭處Y反方向存在190 mm的熱位移，增設(shè)限位后彎頭處熱位移僅為30 mm。鍋爐過(guò)熱器出口的膨脹和水平管道自身產(chǎn)生的膨脹，無(wú)法得到合理釋放，管道二次應(yīng)力超標(biāo)。為保證應(yīng)力合格，需要重新對(duì)管系進(jìn)行布置，而且需要對(duì)管系支吊架進(jìn)行大范圍選型更換，成本較大。

4.2.2 采用增設(shè)阻尼器改變管道阻尼比

管系在彎頭附近熱位移較大，采用增設(shè)限位支架會(huì)導(dǎo)致管系膨脹不暢，二次應(yīng)力超標(biāo)。阻尼器在不受突加載荷時(shí)為柔性支撐，能隨管系自由膨脹，當(dāng)管系受外部載荷則自鎖成剛性拉桿，適用于低頻減振。根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，管系彎頭A和B處的振幅最大。結(jié)合鍋爐鋼結(jié)構(gòu)布置情況，在管系位置5和7處增設(shè)Y方向阻尼器，在位置6和8處增設(shè)X向阻尼器，如圖5所示。同時(shí)調(diào)整調(diào)整彎頭附近彈簧支吊架。治理后，主蒸汽管道振幅大幅降低，減振效果明顯?？梢娫诠艿老到y(tǒng)振幅較大位置增設(shè)阻尼器后，增大了阻尼器比，減小了振幅放大系數(shù)，從而使管道振幅大幅降低。

圖4 主蒸汽管道限位支架布置

5 結(jié)語(yǔ)

支吊架狀態(tài)存在異常，會(huì)增加管道應(yīng)力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出的相關(guān)調(diào)整措施，可有效解決支吊架的狀態(tài)異常，使管系受力合理。

主蒸汽管道高幅低頻振動(dòng)是由于蒸汽壓力波動(dòng)，在彎頭處產(chǎn)生的激振力擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)固有頻率接近引發(fā)共振引起。對(duì)管道進(jìn)行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的固有頻率，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況增設(shè)阻尼器，有效地降低了管道的振動(dòng)幅度。

圖5 主蒸汽管道阻尼器布置

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