核电应急柴油发电机回油管线振动高分析与处理

魏盛辉（辽宁红沿河核电有限公司,辽宁 大连 116319）

核电应急柴油发电机回油管线振动高分析与处理

魏盛辉
（辽宁红沿河核电有限公司,辽宁 大连 116319）

摘 要：核电厂一台应急柴油发电机在调试过程中出现回油管线振动高现象，存在管线断裂的风险。针对柴油机不同带载负荷下管线的振动进行监测分析，得出管线设计不合理的结论。通过修改管线设计，并进行应力校核，有效降低了管线的振动水平，保证了应急柴油发电机的可靠性。关键词：柴油发电机；回油管线；振动

0 引言

应急柴油发电机组是核电站厂用电系统6.6 kV应急交流供电母线的备用电源。当厂用机组母线因厂外主电源失电或母线本身故障造成停电事件时，柴油发电机组确保应急母线的供电，实现反应堆的紧急安全停堆。某核电厂柴油发电机由ALSTOM和陕柴重工合作生产，额定功率6660KW。其中一台柴油发电机的燃油回油管线在调试过程中出现振动剧烈的现象，如果管线在长时间振动高状态下出现断裂情况，燃油回油喷出会对人员、设备构成严重威胁。电厂技术人员针对柴油机不同带载负荷下该管线进行振动测量、分析，结合柴油机本体振动情况，对比分析，认为回油管线振动高根本原因为：管线设计不合理，在柴油机本体振动带动下，导致管线出现剧烈振动，后续通过修改管线设计，重新布置管线，最终解决了管线振动问题。

1 回油管线与柴油机本体振动数据采集

整段回油管线主要由三部分组成：和柴油发电机本体连接的小段碳钢管、金属软管、通往回油箱的长段碳钢管，碳钢管外径33.4mm，进行振动测量时选取该回油管线上具有代表性的四个点进行振动测量，分别测量其水平向（H向）和垂直向（V向）的振动，测点位置如图1所示，布条包裹部分为金属软管段，分别对柴油发电机空载及各功率平台进行了振动测量，选取空载和75%功率平台测量数据统计如表1。

表1 管线振动数据表（单位：mm/s）

各功率平台的测量结果显示，空载时振动水平最高，同时最大值在3V处，达到96mm/s，远远超过ASME关于管道振动的通用标准12.7mm/s， 3V测点的频谱主要集中在24.9Hz及41.7Hz，另外16.6Hz、33.2Hz及49.9Hz频率成分对总体振动也有一定贡献（图2），为了查找管线激振力来源，同时对柴油机本体振动进行测量，测量结果显示柴油机非驱动端靠近回油管线处振动值约为10mm/s，频谱中（图3）存在多个频率尖峰，其中74.9Hz频率尖峰最高，同时存在明显的16.6Hz、24.9Hz、33.2Hz、41.7Hz和49.9Hz频率成分，柴油机驱动端同一方向振动值约为7.8mm/s，频谱中74.9Hz频率尖峰仍然是最高幅值，也存在明显的16.6Hz、24.9Hz、33.2Hz、41.7Hz 和49.9Hz频率成分。

2 减振方案制订

根据前面的振动测量结果及频谱分析结合现场管线的结构和布置情况，对管线振动高的原因分析如下：

（1）柴油机非驱动端、驱动端的振动频率成分基本一致，幅值最高的频率尖峰也相同，综合管线上3V测点的频谱分析，管线的主要振动频率与柴油机本体上的频率成分高度吻合，基本可以判断回油管线振动主要来源于柴油机本体振动；

（2）该段管线从柴油机本体引出，中间有较长段金属软管，柴油机运行时，触摸感知该段金属软管存在高频冲击振动，主要由于柴油机回油导致，加之软管段较长，无法固定，软管下端明显比上端振动大，即一定程度上软管对振动有放大作用；

（3）与软管段末端连接的碳钢管线走向上存在多个弯头，加剧管内回油冲击，对管线振动也有一定贡献，且整段管线由于软管段的存在，整体刚度较低，振动响应加大。

从振动机理上来说，振动主要与激振力和刚度有关，管线振动的激振力有两方面：柴油机本体振动及回油管线内流体冲击。管线刚度方面：软管段较长，缺乏固定，碳钢管道弯头较大，管线整体设计布置不合理导致刚度较低，振动响应大。通过振动频谱及管线结构、功能分析，主要的改进措施从两方面考虑：

1）激振力方面，柴油机本体振动受其结构及运行工况影响很难改变，且本体振动在合格范围之内，所以想降低柴油机产生的振动激振力难度较大。柴油机运行时，燃油不可能完全燃烧，所以管线内始终存在回油流体冲击，如果能减少管线上弯头，流体冲击力将会减小，这是可以考虑改善的地方之一；

2）管线刚度方面，软管段设计长度偏长，管线较长跨度范围内没有约束，导致刚度较低。可以采取减少软管段长度，在后续碳钢管段增加固定支撑的措施来提高管线整体刚度。

后续厂家按照上述原因分析及处理建议修改管线设计及布置方案，修改前后管线图如图4、图5（管线号L511）：

从前后管线布置图对比可见：

管线最前端和L302连接处，EL由原来的+1964变为+2511，即该处布置高度提升了547mm，连接该接头处上游为金属软管段，该接头布置高度提升，对应金属软管段长度将大幅减少；

L511水平段管线N向由原来的1455修改为N向1623，即与最前端的接头在N方向上处于同一位置，现场来看，即将管线水平段向柴油机本体方向移动168mm，同时该段管线布置由之前的EL +1964变为EL+2290，向上抬升326mm，对应整段管线前端弯头减少一个；

按照新的管线设计方案，金属软管段长度减少，前端弯头减少1个，管线刚度有一定提升，管线内部流体冲击将会减小。

3 减振效果验证

按照柴油机厂家给出的正式方案现场实施完毕，回油管线的现场布置图如图6，再次启动柴油机验证，测得该管线振动水平如下表2：

改造后最大振动水平对比改造前降低近50%，各点振动水平均有大幅降低，效果明显。由于该管线为软管和硬管连接的复合型管道，无法用确定的振动标准去衡量其振动是否合格，为进一步确保管道在该振动水平下安全运行，对管线进行应力计算分析，考虑静载荷及附加的动载荷，同时结合管线材质进行应力强度校核，计算结果表明：管线上计算得到的最大应力低于管线的许用应力，管线振动水平合格，可以安全可靠运行。（具体计算过程此处不列出）

4 总结

柴油发电机回油管线振动高主要受运行工况及自身结构和布置影响，而这也是管道振动问题产生的两大主要原因之一。随着运行时间的增加，从材料发生疲劳角度看，管道振动问题及其产生的不良后果将会越来越显著，所以很有必要在管道的初始运行阶段控制其振动水平在一定范围之内，减少运行过程中的疲劳累积，提高运行安全稳定性。

参考文献：

[1]沈松泉.压力管道安全技术[M].南京:东南大学出版社,2000：500-501.

[2]党锡淇,黄幼玲.工程中的管道振动问题[M].力学与实践，1993,15(04):12-15.