孫 薇

（中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223）

在轉爐余熱鍋爐的試運行和生產(chǎn)過程中，本體循環(huán)管道，尤其是上升管的振動現(xiàn)象時有發(fā)生。管道的長期振動，會造成支吊架松動失效、管道局部疲勞破壞，從而產(chǎn)生泄漏等事故；振動帶來的噪聲，會給生產(chǎn)操作人員的健康帶來危害；振動產(chǎn)生的往復推力，會對設備的安全和壽命產(chǎn)生直接影響。解決和控制管道振動，對轉爐汽化系統(tǒng)的安全運行非常重要。

某鋼廠120t氧氣頂吹轉爐余熱鍋爐系統(tǒng)，通過3個循環(huán)冷卻系統(tǒng)對汽化煙道進行冷卻：（1）低壓強制循環(huán)系統(tǒng)冷卻活動煙罩；（2）高壓強制循環(huán)系統(tǒng)冷卻可移動煙道；（3）高壓自然循環(huán)系統(tǒng)冷卻主煙道Ⅰ段、主煙道Ⅱ段及尾部煙道。該轉爐余熱鍋爐的高壓強制循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示（低壓強制循環(huán)系統(tǒng)和高壓自然循環(huán)系統(tǒng)未在圖中示出）。

圖1 轉爐余熱鍋爐高壓循環(huán)系統(tǒng)

高壓強制循環(huán)系統(tǒng)設置2臺強制循環(huán)熱水泵，設計出力為500m3/h，電機額定功率為132kW，1運1備。工程投產(chǎn)后，可移動段煙道所在的2根高壓強制循環(huán)上升管在吹氧期間發(fā)生強烈振動，文章就此展開分析并提出整改措施。

1 管道振動的成因

管系是由管道及其部件、支架和與管道相連接的設備組成的結構系統(tǒng)，在激振力的誘發(fā)下就會產(chǎn)生振動。管系的振動是機械振動，產(chǎn)生振動的原因主要有來自管系自身的激擾力和來自管系外部的隨機荷載作用兩個方面，來自管系自身的主要有與管道相連接的設備的振動和管內(nèi)流體不穩(wěn)定流動引起的振動，來自系統(tǒng)外的有地震、風等。對于來自系統(tǒng)外的隨機荷載引起的振動，由于振動時間較短且消失比較快，一般不考慮。

轉爐煉鋼是一個周期性的過程，每個周期包括兌鐵水、加廢鋼、吹氧、出鋼、倒渣等工藝過程，耗時36～38min，其中吹氧過程耗時約15min，吹氧過程中會產(chǎn)生大量高溫煙氣，經(jīng)汽化煙道冷卻后進入除塵系統(tǒng)。轉爐余熱鍋爐的運行工況也相應為周期性過程，轉爐吹氧過程中，汽化煙道內(nèi)產(chǎn)生大量蒸汽，這些蒸汽以汽水混合物即汽液兩相流形式通過本體循環(huán)的上升管進入汽包；非吹氧期間，由于汽化煙道內(nèi)無熱源，無蒸汽發(fā)生，本體循環(huán)管道內(nèi)介質(zhì)為單相流動。

對管道振動的發(fā)生機理，國內(nèi)外進行了大量研究[1]?？傮w而言，可歸結為如下三個方面：（1）流體脈動變化。管系內(nèi)加壓設備使管道內(nèi)介質(zhì)的壓力和流速呈周期性的變化，產(chǎn)生介質(zhì)脈動。（2）管道內(nèi)部流體的流動狀況。管系布置的不合理情況以及管道元件對流體的作用，使介質(zhì)流場突然改變，導致管道振動。（3）管系的機械動力不平衡。與管系相連的機械設備的動力不平衡，會引起設備本身的振動；設備基礎設計不當也會造成設備的振動從而引起管道振動。

結合工程實例，從現(xiàn)場運行狀況來看，高壓強制循環(huán)下降管流量計記錄曲線顯示，在整個冶煉周期中，高壓強制循環(huán)流量基本平穩(wěn)，波動平坦；對轉爐余熱鍋爐現(xiàn)場的巡檢也表明汽化系統(tǒng)的設備及設備基礎無振動發(fā)生。由此可排除流體脈動變化和管系機械動力不平衡的原因。轉爐余熱鍋爐本體循環(huán)上升管的振動主要是由管道內(nèi)部介質(zhì)流動狀況引起的。

2 管道振動機理及振幅

氣液兩相流具有可變形的界面及不均勻的相分布，流動過程很復雜，同時氣體的可壓縮性也增加了其復雜程度[2]。氣液兩相流形態(tài)復雜，存在多種流型，這樣各處的密度不完全相等，當流體流經(jīng)彎頭、異徑管等流體流動方向發(fā)生變化的地方時，會產(chǎn)生激振力，此時管道在激振力的作用下產(chǎn)生振動。

上升管內(nèi)介質(zhì)流型及激振力示意圖如圖2所示。該圖為1根兩端為彎頭的管道。某一瞬間，左側彎頭留過的流體氣泡居多，右側彎頭留過的流體以液體為主。這2個彎頭處流過的兩相流質(zhì)量不同，流速相等，各自對彎頭的作用力F1和F2不等，因此在管道軸向的分力不同，可能管道此刻受到一個向右的軸向力，下一個瞬間，流體情況發(fā)生變化，于是管道受力也發(fā)生變化。不僅是力的大小改變，也可能有方向上的改變，這種不斷變化的作用力就會引起管道振動。

圖2 上升管內(nèi)介質(zhì)流型及激振力示意圖

根據(jù)振動理論，得到一個多自由度（自由度為N）系統(tǒng){x}的受迫振動方程[3]：

式中：[M]、[C]、[K]分別為質(zhì)量、阻尼和剛度的N×N階對稱矩陣；分別為結構質(zhì)點的加速度、速度和位移矢量；F(t)為N階激振力列向量。

式（1）對角化后可獲得每個自由度的受迫振動方程：

該方程的穩(wěn)態(tài)解可寫成：

大鼠進行腦缺血后瞳孔散大，眼睛由紅變白，缺血前期呼吸加快變淺，缺血后期呼吸減慢變深；再灌注期間瞳孔由散大轉為縮小，眼睛由蒼白轉為紅潤，且呼吸加深加快慢慢轉為正常平穩(wěn)呼吸。

式中：X為振幅；為相位。

由式（4）可知，(1-r2)2越小，振幅越大，即系統(tǒng)振動的固有頻率fn與激擾力頻率f越接近，受迫振動越明顯。改變系統(tǒng)振動的固有頻率使之偏離激擾力頻率可以減少受迫振動。

因此，應控制兩相流管道的固有頻率，使其維持在一個合理的范圍之內(nèi)。一般來說，當管系各階次的固有頻率與激振頻率相差20%以上，就可以避免共振的發(fā)生。

3 上升管的振動及應力分析

3.1 管道振動及應力分析內(nèi)容

管道應力分析包括靜力學分析和動力學分析。靜力學分析包括壓力載荷和持續(xù)載荷作用下的一次應力計算校核，管道熱脹冷縮以及端點附加位移等載荷作用下的二次應力計算校核，管道支吊架、法蘭的受力計算校核等。動力學分析包括管系的模態(tài)分析、受迫振動響應分析。

根據(jù)管道的模態(tài)分析確定結構固有頻率和振型，模態(tài)分析是線性分析，除了邊界位移約束，再無其他外載荷。忽略阻尼，振動方程（1）可寫成：

由于彈性體的自由振動總可以分解為一系列簡譜振動的疊加：

式（7）為頻率方程，由此可得出結構的自振圓頻率ωi，i=0,…,n，由fi=ωi/2π可計算出結構的自振頻率。ωi對應的特征向量，{ωi}為結構的振型。

3.2 上升管應力計算及結果

發(fā)生振動的2根上升管在CAESAR Ⅱ軟件中的模型如圖3、圖4所示。由圖可知，2根管道走向基本一致。為區(qū)別起見，這2根管道分別稱作上升管a、上升管b，圖中數(shù)字為管道模型中的節(jié)點號。2根上升管的上端10號節(jié)點為管系與汽包接點，下端260號節(jié)點為與汽化煙道的節(jié)點，兩個管系在均80～100號節(jié)點的管段發(fā)生X軸方向大幅振動，并帶動兩端100～130號節(jié)點斜管段及50～80號節(jié)點垂直管段同步振動。

圖3 上升管a模型

圖4 上升管b模型

2根上升管設計參數(shù)相同，如表1所示。利用CAESAR Ⅱ的動態(tài)計算模塊中的modal分析功能對管道進行固有頻率計算，得到上升管的1～5階固有頻率，如表2、表3所示。

由表2、表3可見，上升管a和上升管b的一階固有頻率分別為0.363Hz及0.379Hz。

由于氣液兩相流流動的復雜性，通過流體計算獲得氣液兩相流激振力的時程曲線非常困難，因而通過理論計算獲得兩相流的激振頻率很困難。目前，兩相流的研究多采用基于實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗式或半經(jīng)驗式。筆者利用CAESAR Ⅱ軟件對該2根上升管的各階振型進行動力學模擬分析發(fā)現(xiàn)，在各階固有頻率下，管系振動的部位及方向各有不同。其中，第一階固有頻率下2根上升管的振動情況均與現(xiàn)場實際振動情況完全相符，如圖5、圖6所示?？梢耘袛啵?根上升管內(nèi)介質(zhì)的激振頻率與管系一階固有頻率接近，分別為0.363Hz及0.379Hz。

表1 管道設計參數(shù)

表2 上升管a固有頻率計算結果

表3 上升管b固有頻率計算結果

圖5 上升管a一階振型動態(tài)模擬

圖6 上升管b一階振型動態(tài)模擬

4 整改措施

上升管在一階固有頻率附近發(fā)生振動，根據(jù)前文分析可知：當管系各階次的固有頻率與激振頻率相差20%以上，可以避免共振的發(fā)生。故解決措施有兩個：（1）減小流體的激振頻率；（2）增加管系的固有頻率。

減小流體的激振頻率需要通過改變管道走向、改變流道尺寸或增加強制循環(huán)水泵流量等措施，使流體的流動狀態(tài)發(fā)生改變從而達到改變激振的目的。上述方法對于已投產(chǎn)系統(tǒng)來說，實施費時、費用過高，不宜采用。

而提高管系固有頻率需要提高管系結構剛度，最常用辦法是合理布置支吊架，即盡可能在適當?shù)奈恢迷O置剛性約束的固定支架、導向支架、滑動支架或拉撐桿等其他限位裝置。另外，可以縮小支吊點的間距，即增加支吊架數(shù)量。設置防振動液壓阻尼器也是一個十分有效的辦法。液壓阻尼器是20世紀70年代發(fā)展起來的一種對速度反應靈敏的減振裝置，其工作過程可以用“剛柔相濟”來描述：在管道或水泵正常膨脹時能隨之緩慢移動，此時幾乎沒有阻尼力；在荷載瞬變時，對管道產(chǎn)生剛性約束，遏制管道或設備產(chǎn)生較大振動，保護管道。

2根上升管管道布置簡潔、短直，從支吊架設置方面看，已在可以布置支架的地方盡可能多地設置了管道支吊架，通過管道靜力分析計算，相關人員也在二次應力許可范圍內(nèi)設置了限位支架，部分管段支架間距較大，但其間無供新增支架生根的鋼結構，無法新增支架，所以最終決定在振動劇烈的80號節(jié)點彎頭附近的垂直管段上，增設一對水平方向的安裝位置互成90°的液壓阻尼器，安裝位置在60號節(jié)點。

利用CAESAR Ⅱ的動態(tài)計算模塊中的modal分析功能對增加阻尼器后的管道進行固有頻率計算，得到上升管的1～5階固有頻率，如表4、表5所示。

表4 上升管a增設阻尼器后的固有頻率計算結果

表5 上升管b增設阻尼器后的固有頻率計算結果

由表4、表5可知，增加阻尼器后，2根上升管的一階固有頻率分別提高至0.962Hz及0.909Hz，提高幅度達140%～165%，有效避開了激振頻率，理論上可避免管道的振動。

增加阻尼器而不更改支吊架設置，對管系的一次應力和二次應力無影響，管道的靜力學計算也驗證了這個結論。

5 結束語

管道增設阻尼器至今已運行半年，2根上升管運行過程中未發(fā)生較大幅度的振動，證明整改是成功的。