王琇峰，洪銀聰，周正平，張福海

（1.西安交通大學機械工程學院，陜西西安 710049；2.中國核電江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

管道作為核電站工藝系統(tǒng)的重要組成部分，健康狀態(tài)關系到核電站運行的可靠性。管道振動問題與旋轉設備的工作頻率有關，還受管道材料、長度、支吊方式、流體特性等因素影響，過大的管道振動引起疲勞損壞，影響核電廠的正常運行，造成重大經(jīng)濟損失。與管道連接的旋轉機械殼體振動、流體脈動、風載荷等激勵源都可能導致管道振動，當這些激勵源頻率和管道固有頻率接近時，管道發(fā)生共振，振動幅值急劇增加，加速管道疲勞損傷。減小激勵力或調整系統(tǒng)固有頻率是解決管道振動問題的常用技術手段。文獻[1]通過ANSYS 軟件得到火電廠給水再循環(huán)管道模態(tài)頻率和振型，結合實驗測試對振動最大點位置進行約束加強，明顯改善管系振動狀況；文獻[2]通過ANSYS 軟件建立空調管路的有限元模型并進行模態(tài)分析和諧響應分析，通過調整管道結構，改變固有頻率避開了管路共振；文獻[3]通過氣體壓縮站管道的模態(tài)測試和振動分析，提出減小振動激勵力的方案，達到減小管道振動的效果。文獻[4]通過PRO/E 建模和ANSYS 模態(tài)仿真，發(fā)現(xiàn)空調管道系統(tǒng)的第四階固有頻率與壓縮機的激振頻率非常接近，發(fā)生共振，最終通過減小管道長度和增加約束的方式使共振帶遠離激勵頻率，改善振動問題。針對核電站主泵水導軸承冷卻出水管振動問題展開故障診斷工作，綜合振動數(shù)據(jù)和有限元仿真分析結果，提出改進措施，最終成功解決管道振動問題。

1 問題描述

國內核電廠機組3#主泵在調試階段發(fā)現(xiàn)水導軸承冷卻水出水管道焊縫出現(xiàn)裂紋，出水管道結構如圖1 所示。

對3#主泵出水管道焊縫裂紋修復后，發(fā)現(xiàn)運行時該管道振動幅值明顯高于相鄰主泵出水管道。為了解3#主泵水導軸承冷卻水出水管道振動特征，在穩(wěn)態(tài)運行階段對3#，4#主泵出水管道振動實施監(jiān)測，圖2、圖3 展示了3#，4#主泵在運行階段監(jiān)測點垂直方向時域波形及頻譜，監(jiān)測點位置和方向定義如圖1 所示。

（1）3#，4#主泵出水管道振動信號中具有明顯的198.8 Hz及其倍頻成分，其中198.8 Hz 振動幅值最高。結合主泵葉輪葉片數(shù)為6 及主泵工作轉速約為994 r/mim 信息，可知198.8 Hz為主泵2 倍葉頻。

（2）3#，4#主泵水導軸承出水管監(jiān)測點最高振幅均出現(xiàn)在198.8 Hz，相應頻率3#主泵監(jiān)測點垂直方向幅值達70.5 m/s2，明顯高出4#主泵對應監(jiān)測點垂直方向幅值。

圖1 出水管道結構示意圖

圖2 3#主泵監(jiān)測點垂直方向振動數(shù)據(jù)

圖3 4#主泵監(jiān)測點垂直方向振動數(shù)據(jù)

2 管道模態(tài)測試

根據(jù)運行階段振動數(shù)據(jù)分析結果可知，與4#主泵相比，出現(xiàn)出水管道裂紋故障的3#主泵198.8 Hz對應振動幅值明顯偏大，是3#主泵出水管道振動過高的主要原因，198.8 Hz 對應主泵2 倍葉片通過頻率，管道振動過大可能是2 倍葉頻激勵與管道結構固有頻率耦合導致共振導致，下面通過管道模態(tài)測試驗證此推論。

模態(tài)測試目的是得到出水管道的模態(tài)頻率，測試對象為3 號機組4 臺主泵水導軸承冷卻水出水管道，監(jiān)測點布置與運行階段振動測試的布置一樣，見圖1。3 號機組3#主泵出水管道監(jiān)測點垂直方向模態(tài)響應的時域波形及頻譜分析如圖4 所示。

圖4 3#主泵監(jiān)測點垂直方向模態(tài)數(shù)據(jù)

整理3 號機組4 臺主泵監(jiān)測點垂直方向1000 Hz 內固有頻率值，如表1。

表1 測點垂直方向固有頻率統(tǒng)計

結合運行階段振動數(shù)據(jù)和模態(tài)測試數(shù)據(jù)分析結果可知：①3#主泵水導軸承冷卻出水管垂直方向主要振動頻率為主泵2 倍葉片通過頻率（接近198.8 Hz），且相應頻率振動幅值明顯大于4#泵；②3 號機組4 臺主泵監(jiān)測點垂直方向皆存在與主泵工作轉速2 倍葉頻接近固有頻率。其中1#，2#主泵高出2 倍葉頻約11.5 Hz，3#主泵該階固有頻率與2 倍葉頻偏差小于1 Hz，4#主泵小于2 倍葉頻約5.5 Hz；③3#主泵水導軸承冷卻出水管結構固有頻率與2 倍葉頻激勵頻率過于接近，是導致運行階段出現(xiàn)結構共振并引發(fā)焊縫裂紋問題的主要原因。

由模態(tài)測試數(shù)據(jù)可知，198.8 Hz 附近處的共振帶較窄，只要稍微調整出水管道的結構剛度，使共振帶頻率上移或下移，避開激勵頻率，即可顯著改善共振問題，降低振動幅值。

3 有限元模態(tài)仿真分析

3.1 有限元分析

圖5 展示了出水管道的結構。由圖5 可知，出水管道由多段彎曲短管通過管道接頭連接而成；由圖5b 可知，管道前端通過一固定在泵殼上的支架支撐；由圖5c 可知，出水管道下方有一段核島設冷水系統(tǒng)管道，而3#主泵出水管道中這2 個管道相互接觸。根據(jù)第二部分模態(tài)測試分析可知，管道結構共振對應的共振帶比較窄，可以通過調整出水管道的結構剛度，使共振帶避開激勵頻率，即可改善振動問題。針對管道實際結構，提出將圖5c中相互接觸的出水管道和核島設冷水系統(tǒng)管道挪開的改進措施，通過改變出水管道的約束條件，降低其剛度，達到改變模態(tài)頻率、使其共振帶避開激勵頻率的目的。為更好的指導3#主泵出水管道改造工作，使其固有頻率避開二倍葉片通過頻率，同時又不引入新的共振帶，利用有限元仿真手段對出水管道改造措施前后進行模態(tài)分析，分析兩管道接觸移除前后的模態(tài)頻率和振型，評估改造措施的可行性。

圖5 出水管道結構實物

圖6 出水管道三維建模

對管道尺寸進行測繪，按1:1 的比例進行有限元建模，三維模型如圖6 所示，其中圖6 模型右側管道上方還有后續(xù)的管道結構，根據(jù)現(xiàn)場管道的布置可知，后續(xù)管道結構復雜，且有較強剛度的約束結構，而本次模態(tài)分析主要關注的是導致裂紋發(fā)生處出水管道振型，建模過程暫不考慮后續(xù)管道結構，將其對出水管道的模態(tài)影響簡化為對管道接頭的約束[5-6]。

將模型導入Workbench 軟件模態(tài)分析模塊，管道和支架材料設置為結構鋼，管道支架管道之間有1 圈橡緩沖膠墊，材料設置為橡膠。出水管道模型由兩段管道通過管道接頭連接而成，管道接頭通過6 個螺栓進行連接，根據(jù)實際情況將接頭與接頭的約束設置為6 個螺栓的固接約束；而管道支架處的橡膠與管道、支架之間的約束設置為有摩擦接觸，查閱機械設計手冊，橡膠和鋼鐵摩擦系數(shù)設置為0.8，橡膠緩沖墊的建模如圖7a 中高亮部分所示；管道支架一端通過螺栓實現(xiàn)與橡膠和管道之間的約束，另一端固定在泵殼上，作固接約束；管道模型兩端的接頭處對6個螺栓接觸面作固接約束，接頭螺栓接觸面建模如圖7b 所示；根據(jù)圖5c 可知，核島設冷水系統(tǒng)管道位于出水管道的下方，當2 管道接觸時，將KAA 管道與出水管道之間的相互作用可簡化為二者局部接觸面積的固接約束；當二者不接觸時，解除局部接觸面積固接約束，出水管道和核島設冷水系統(tǒng)管道接觸處建模如圖7c 中高亮部分所示。

3.2 模態(tài)分析結果

圖7 出水管道三維模型局部圖

模態(tài)分析關注的是2 倍葉片通過頻率198.8 Hz 附近的模態(tài)頻率和及其振型，因此設置模態(tài)分析的頻率范圍設置為（90～500）Hz，取前8 階模態(tài)。將核島設冷水系統(tǒng)管道與出水管道接觸前后的模型模態(tài)分析結果整理成表格，如表2 所示。

表2 模態(tài)分析結果

由表2 可知，當管道接觸時，第5 階模態(tài)頻率202.3 Hz 接近激勵頻率198.8 Hz，而當管道接觸移除后，距離198.8 Hz 最接近的仍然是第5 階模態(tài)，對應頻率為190.2 Hz，相對接觸移除前離激勵頻率更遠。觀察管道接觸移除前后模態(tài)頻率和振型發(fā)現(xiàn)，兩個模態(tài)分析結果中大部分模態(tài)振型相近，而管道接觸移除后各階模態(tài)頻率均有不同程度下降，這是由于管道接觸的移除使系統(tǒng)剛度下降，特別是豎直方向的剛度，而剛度的下降則會導致模態(tài)頻率的下降。接下來結合模態(tài)振型判斷第5 階模態(tài)是否為出水管道裂紋故障對應的共振模態(tài)。圖8、圖9 展示的分別是管道接觸移除前、后第（4～6）階模態(tài)振型。

圖8 與KAA 管道接觸狀態(tài)出水管道模態(tài)振型

圖9 與KAA 管道不接觸狀態(tài)出水管道模態(tài)振型

為更好地描述出水管道各階模態(tài)，根據(jù)圖7（a）右下角所示的坐標系定義方向，其中沿管道支架方向為Y 方向，垂直管道方向向上為Z 方向，根據(jù)右手定則，定義垂直Y、Z 向為X 方向。根據(jù)圖7 可知，出水管道和核島設冷水系統(tǒng)管道接觸解除前，4階振型為出水管道近端管道和支架共同的振型，沿Y 向作來回擺動；5 階振型為出水管道近端管道沿Z 向上下擺動，該振型在管道支架和裂紋產(chǎn)生處之間一段管道振動明顯大于另一端；6階振型為管道接頭的局部振型，該振型不會引起出水管道振動加大。根據(jù)圖8 可知，出水管道和核島設冷水系統(tǒng)管道接觸解除后，4 階振型不變，為出水管道近端管道和支架共同的振型，沿Y 向來回擺動；5 階振型為管道整體和管道支架共同的振型，沿Z 向作上下擺動，該階振型可視為接觸處固接約束解除后，原本的振型振動傳遞至整個管道系統(tǒng)所致；6 階振型仍為管道接頭的局部振型。

通過主泵運行階段振動數(shù)據(jù)分析結果可知管道共振激勵頻率為198.8 Hz，綜合出水管道與核島設冷水系統(tǒng)管道接觸約束解除前后模態(tài)測試和仿真分析結果，確定第5 階模態(tài)為引發(fā)出水管道裂紋產(chǎn)生的共振模態(tài)。出水管道與核島設冷水系統(tǒng)管道接觸約束解除前，第5 階模態(tài)頻率為202.3 Hz，主泵2 倍葉頻（激勵頻率198.8 Hz）落在第5 階模態(tài)共振帶內，引發(fā)出水管道結構共振。當出水管道與核島設冷水系統(tǒng)管道接觸約束解除后，出水管道的約束剛度降低，模態(tài)頻率降低為190.2Hz，相比改造前較好地避開激勵頻率，同時改造后在198.8Hz 流體激勵頻率附近沒有出現(xiàn)新的共振帶。

4 結束語

4.1 工程應用

結合有限元模態(tài)仿真分析結果，廠里確定了解除出水管道和核島設冷水系統(tǒng)管道接觸方案。該方案實施后，3#主泵出水管道振動幅值明顯下降，焊縫疲勞裂紋隱患得以消除，證實2 倍葉頻與管道結構共振導致出水管道振動幅值過大的推論，同時也印證了有限元模態(tài)分析結果的準確性。

4.2 總結

針對國內核電廠3#主泵冷卻水出水管道焊縫裂紋問題，通過運行階段振動數(shù)據(jù)和停機階段模態(tài)測試數(shù)據(jù)分析，推斷該問題系主泵轉子2 倍葉片通過頻率激發(fā)的管系結構共振所致。通過有限元模態(tài)仿真分析，確定出水管道結構共振系出水管管系第5 階模態(tài)，共振導致的交變應力，引發(fā)焊縫疲勞裂紋。通過管道局部結構改造實現(xiàn)固有頻率調整，成功解決管道共振問題。

由模態(tài)測試數(shù)據(jù)和有限元仿真結果可知，主泵水導軸承出水管道由于其長徑比大，結構復雜，由多段彎曲管道連接而成等結構特性，模態(tài)頻率分布較廣且振型復雜，對管道約束狀態(tài)敏感。核島內存在大量類似主泵水導軸承出水管管道，建議在安裝、檢修過程中對約束條件加以規(guī)范，避免管道約束狀態(tài)偏離設計；同時建議在設備運行前開展管道結構模態(tài)測試，確保結構固有頻率避開主要激振頻率，預防管道裂紋問題。