火电厂高压给水管道振动的诊断与治理

胡鑫，刘明

（华电电力科学研究院，杭州 310030）

火电厂高压给水管道振动的诊断与治理

胡鑫，刘明

（华电电力科学研究院，杭州 310030）

结合某电厂高压给水管道的振动问题，从机械系统的振动方程入手，综合宏观检查、振动测试、仿真分析等研究手段，应用刚性限位、液压阻尼器、黏滞液阻尼器等减振装置，建立了一套理论严谨、现实可操作性强、实用效果明显的管道控制研究方法，为火电厂管道振动治理问题提供了可供参考的经验。

高压给水管道；振动；测试；阻尼器

0 引言

随着火电厂机组容量和参数的不断提高，汽水管道振动的危害越来越明显，发生振动的管道系统也越来越普遍，管道振动已成为影响电厂安全运行的重大隐患之一。因此，开展火电厂管道振动诊断与控制技术研究，有着广泛的实际需求和重要的安全价值。

火电厂高压给水管道作为四大管道之一，是电厂汽水系统循环连通的重要组成，其主要特点是管径粗、管内流体介质压力大、温度高，因而高压给水管道一旦发生振动，其危害及处理难度都高于一般小管道的振动。

1 管道振动控制方法

管道系统的振动一般是作用在管系上的周期性激振力引起的受迫振动，按照经典的振动理论，一个机械系统的振动方程可以表述为［1］：

式中：［M］为质量矩阵；［c］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵；｛x｝为位移向量；｛F（t）｝为广义载荷向量。

引起管道振动的原因主要有管内介质脉动、紊流引起的振动、设备缺陷引起的振动、水锤引起的振动等［2］。能够找到管系振动的根本原因并顺利解决为最优方案，但是很多情况下的管系振动是多重因素影响下的综合结果，很难明确确认振动原因，或是由于主设备的固有特性无法更改，使得期望从根本上消除或减小激振力来消除或缓解管道振动的方法无法实现，在这种状态下只能从管系结构本身入手，找到解决问题的办法。

由式（1）所示的振动方程可知，从管系自身结构特性来看，影响管系振动特性的就是系统质量、系统阻尼以及系统刚度。现役电厂中管道型号、走向等都已确定，重新改变管道质量分布的工作量较大、经济性较差，因此对于现役管道的减振一般不从质量矩阵方面考虑，可供选择的振动控制思路主要有以下2个方面。

（1）改变系统的阻尼。通过在适当位置加装阻尼器的方式，耗散管系结构振动的能量，降低振动量值，减少结构的动力响应，从而达到缓解管道振动的目的［3］。

（2）改变系统的刚度。系统的固有频率与振动特性息息相关，当外在激振频率与系统固有频率相接近时，容易产生共振。此外如果管系基频过低（管系柔性过大），可能即使避开了激振频率，受到激振力作用后仍会导致管系振动［4］。因而DL/T 5054—1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中明确规定管道一阶固有频率应大于3.5Hz［5］。管道系统的固有频率与其刚度特性有直接关系，一般刚度越大，其对应的固有频率越高，因而可通过加装限位装置的方式改变管系刚度来调节系统固有频率，以避开激振频率或提高管系基频。

2 振动控制研究技术路线

建立管道振动诊断与治理研究技术路线如图1所示，主要研究内容包括以下几个方面。

（1）资料收集、宏观检查：包括管道系统布置、管道材料与规格、支吊架布置与类型、运行参数、介质类型与流速等相关资料收集，以及现场管道运行状态、支吊架性能状态的宏观检查。

（2）振动测试：在机组运行状态下采用便携式振动测试仪测定振动管道的振动频率、振幅等参数，初步了解管道振动形态、振动等级等。同时也为后面的仿真分析提供对比参考数据。

图1 技术路线

（3）仿真分析：采用管系应力分析软件进行管系静态应力校核和动态仿真分析。管系静态应力校核目的是确保管系在实际工作状态下各部位应力在允许范围之内，以便判断管道系统布置与设计的符合性、支吊架布置与设计的符合性等。管系动态仿真分析主要用于分析管系振动模态及频率，以确定管系设计、支吊架布置与选型是否合理。

实际动态仿真分析过程中需参照振动测试结果不断修正分析模型，直到仿真分析结果与实际测试结果相吻合。并在此经修正正确后的计算模型基础上，考虑加设适当的减振装置，验证多种减振方案，以便选择最佳的处理方法，从而达到改变管系模态及频率分布、降低管道振幅、消除管道振动危害的目的。

（4）处理方案：对于在役汽水管道系统而言，管道规格、布置走向及支撑方式都已确定。通过改变管道走向、管径、壁厚的方式不仅施工工作量大、周期长、经济性差，而且也无必要。因而最合适、经济的减振方法就是在保证管系应力合格的前提下，不改变原来支吊架的位置，仅在适当位置加装适当减振装置。常用的减振装置主要包括刚性限位、液压阻尼器和耗能型阻尼器，常用减振装置特点对比见表1。

表1 常用减振装置特点对比

（5）方案实施：在机组停机检修时，按照处理方案加装适当的减振装置，同时将管系中工作性能异常的支吊架进行调整或更换，确保施工质量满足方案中提出的各项技术要求。

（6）效果评估测试：机组重新启动后，采用振动测试仪对管道振动情况再次进行测试，与处理前的测试结果进行对比，同时参照DL/T 292—2011《火力发电厂汽水管道振动控制导则》［6］评价判断处理后的管道振动情况是否满足要求。

3 工程实例

某电厂2×330 MW亚临界机组高压给水管道在机组运行时锅炉侧存在明显振动现象，发生振动的管段主要位于省煤器进口端水平段与相邻的竖直管段（＃32吊架至＃40吊架之间），具体管道（锅炉侧）布置如图2所示。管道振动主要以水平方向的低频振动为主。随着机组负荷的升高和运行时间的增长，管道振动越来越显著，严重影响机组的安全运行。

图2 高压给水管道（锅炉侧）布置

该高压给水管道（隔离阀至省煤器入口段）规格，ø406.4 mm×31 mm；材质，15NiCuMoNb5－6－4；设计温度，279.7℃；设计压力，24.07 MPa。对该高压给水管系进行静力校核计算显示，管道支吊架选型合理、吊点荷载及热位移与原设计计算一致，管系应力合格。

在静态分析模型的基础上将主要振动区域管道单元细化，对其进行模态分析，详细分析结果如图3所示。

图3 高压给水管道模态分析结果

综上所述模态计算结果可知，整个模型的前三阶振型都位于高压给水管道的主要振动管段，振型形态都呈现为水平向振动，且对应自振频率均较小。对比现场管道振动测试结果可知，现场管道振动情况与仿真分析所得到的前三阶振型与频率基本相符。说明该高压给水管道的振动除了内部流体作用影响外，主要还是管道原设计水平向刚性不足造成的。

采用上述动态仿真分析模型，针对管道原设计水平向刚性不足原因，验证多种减振装置加装方案，提高管系刚度，避开对低阶激振力的响应，以减小管道的振动。最终结合现场安装条件，选择综合加装刚性限位、液压阻尼器、黏滞液阻尼器这3种减振装置，具体方案如下。加装后的管道支吊架布置如图4所示。

图4 高压给水管道布置（更改后）

（1）在＃38吊架与＃39吊架之间管段上加装y向限位。

（2）在＃37吊架与＃38吊架之间水平管段上加装黏滞液阻尼器。

（3）在＃36吊架与附近弯头之间的管段上加装x向液压阻尼器。

（4）在＃33吊架与附近弯头之间的管段上加装y向液压阻尼器。

考虑加装减振装置后的管道模态分析结果如图5所示，计算结果显示加装减振装置后，原振动管段的自振频率提高、振型幅度减小，管系刚度明显加强。

图5 加装减振装置后高压给水管道模态分析结果

为准确地掌握管道减振效果，在机组重启后采用无线动态数据采集仪对管道振动情况进行了现场测试，并与处理前的管道振动测试结果进行对比。测试过程中为便于传感器的固定，测点均布置在支吊架的管夹上（测点编号即编为对应的吊架编号），为保证测试数据的真实可靠性，1个测点1个方向测量3～4组数据，取其中振动特性具有代表性的1组数据进行处理。主要振动区域的部分典型测点测试对比结果见表2。

表2 处理前后管道振动测试结果对比

由测试结果可知，处理前该管道水平向振动明显，管道最大振幅为6.0 mm左右，振动频率主要分布在1～2 Hz之间。依据DL/T 292—2011《火力发电厂汽水管道振动控制导则》计算该管道的最大峰值振动速度为30.9 mm/s左右，严重超过标准要求。加装减振装置后，减振效果明显，振动幅度明显减小，最大振幅仅为0.5 mm左右，计算所得最大峰值振动速度为3.6 mm/s左右，符合标准［6］要求。

4 结束语

综合应用多种减振装置，对某电厂330 MW机组高压给水管道进行了振动治理，将其管道最大峰值振动速度从30.9 mm/s左右降低到3.6 mm/s左右，使之满足了相关规范要求，消除了管道振动危害。本文从机械系统的振动方程入手，结合火电厂管道工作特性，通过宏观检查、振动测试、仿真分析等研究手段建立了一套管道振动控制研究方法，为火电厂管道振动治理问题提供了可供参考的经验。

目前设计规范中规定［5］：管道一阶固有频率应大于3.5 Hz，即单跨管道按简支梁计算，其最大挠度值不应大于2.62 mm。该规定实际只对管道竖直方向刚度有所要求，并未考虑到管道水平方向的刚度问题，因而造成目前管道振动故障多发生在水平方向，建议以后在设计阶段对管道三向刚度问题进行全面的考虑。

［1］刘延柱，陈立群，陈文良.振动力学［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］赵星海，翟松，彭龙飞，等.火电厂管系振动原因分析及减振方法［J］.锅炉技术，2013，44（1）：67－71.

［3］刑景伟，赵星海，辛国华.电厂汽水管道振动原因分析及解决对策［J］.能源研究与信息，2012，28（1）：18－23.

［4］唐永进.压力管道应力分析［M］.北京：中国石化出版社，2009.

［5］火力发电厂汽水管道设计技术规定：DL/T 5054—1996［S］.

［6］火力发电厂汽水管道振动控制导则：DL/T 292—2011［S］.

（本文责编：齐琳）

TM 621.4

B

1674－1951（2016）10－0037－03

胡鑫（1984—），男，浙江杭州人，工程师，从事管道检验和应力计算分析、管道振动分析与治理及支吊架优化调整等方面的工作（E-mail：xin－hu＠chder.com）。

2016－09－12；

2016－09－26