基于ANSYS模态分析的减温水管道振动问题分析与治理

赵岳 于景志 陈侠

摘要：核电厂常规岛减温水管道普遍存在强烈的振动，为确保管道系统安全稳定运行，需及时开展管道振动根本原因分析，以制定有效的振动治理方案。单纯从现场采集振动数据以作为原因分析输入存在明显不足，本文通过现场振动试验与有限元模态分析相结合的方法，获取管线关键位置的振动参数及各点的振动大小和频谱特性，并模态分析可准确获取管系主要频率及振型。经对现场振动问题开展多次分析可知，管道振动根本原因为流体激励诱发结构共振。本文从管道振动控制机理出发，结合ANSYS模态分析数据，确定减温水管道振动控制的主要对策，并制定了相应的振动治理方案。方案实施后，管系振动大幅下降，减振效果明显，满足相关标准的限值要求。最后对模态分析结果进行了偏差分析，并与振动试验数据对比分析，结果表明本文采用的模态分析结果有较高的置信度。

关键词：ANSYS模态分析；减温水管道；振动治理；振动试验

1.引言

核电机组设置有凝结水系统（CEX）减温水管道，其作用是为疏水扩容器、汽轮机排汽口喷淋系统及旁路蒸汽系统进入凝汽器的排汽提供减温水。在调试期间对常规岛管道进行振动普查时，发现该管道存在振动较大现象。

管道振动过大会加速材料疲劳损坏，缩短材料使用寿命，引发支吊架松动，使得管道载荷分布和应力分布偏离设计要求，导致管道下沉、变形。一旦管道变形严重，轻则造成阀门元件或测量支管损坏，重则引发管道破裂、压力边界破坏，甚至导致停机。因此，必须开展管道振动根本原因分析，并采取相应的治理措施，以降低或消除管道振动。相关资料表明，汽水管道振动问题大多都是由流体激励引起的共振造成的，当激励力频率等于或接近振动系统固有频率时，将发生共振。通常可借助专业仪器和分析软件测量得到管道系统固有频率和振型并判断管道振动是否由共振引起，但专用仪器测量的使用会增加人力、物力成本，尤其是对于复杂的管道系统，其高阶频率测量难度高、精度差、周期长，所以理论计算分析对工程上确定固有频率有着重要意义。本文拟采用ANSYS有限元软件对管道系统进行模态分析，结合振动频谱分析结果，以确定减温水管道振动原因，完成振动治理方案。

2.管道振动描述

管道上设置有一个真空截止阀和电动调节阀，在管道投用时，电动调节阀全开。该管线共布置有四组支吊架，两个支吊架为弯头支架，两个水平单拉杆刚性吊架。

目视检查发现管道整体振动剧烈，手触有酥麻感，并伴随较大幅度晃动，阀门剧烈晃动。尤以弯头处振动最为剧烈，振动幅度最大。剧烈振动还导致刚性吊架螺母松动。

3.振动原因分析

3.1振动频谱分析

测振人员根据特征跨模型测点选取原则，选取晃动幅度最大处即垂直管段弯头处为测点，进行振动测量，得到该管段振动频谱和振动速度数据。振动峰值达22mm/s，主振频率在7.4Hz、15.3Hz附近；Z向频率杂乱，振动速度波形无明显规律。结合现场情况，可判断该处振动主要存在于X、Y方向。

现场核查发现，该管道布置呈U型，并在U型管底部，布置有两个阀门，这种布置极易使管内介质产生流场扰动，流体冲击管壁产生激振力，从而导致管道振动。从主振频率来看，X、Y向振动频率7.4Hz、15.3Hz，符合低速流体激振频率范围，因此初步判断CEX系统凝汽器A背包减温水管道振动是激振力引起的受迫振动，管道固有频率落入流体激振力频率范围，产生共振。

管道支吊架在设计时，一般只考虑静力计算，不考虑管道动态特性。根据管道设计资料，该管道属于常温管道，管道力学计算只考虑了支吊架的承载要求，而未考虑其减振功能。管道设计时除满足强度需要外，还应满足一定刚度需要，CEX系统凝汽器A背包减温水管道较长，弯头多，初步判断管道柔性较大。进一步分析振动频谱，当管道在X向随机发生较大位移摆动时，产生两种振动波形叠加的典型特征，说明管道同时存在较高频率振动和较低频率晃动，管道整体柔性偏大，导致管道产生较大幅度晃动。

3.2ANSYS模态分析

在结构动力学分析中，有限元模态分析本质上是一种理论建模过程，它建立在系统振动微分方程基础上。管道系统振动主要以梁式变形为主，可以归类为多自由度线性振动问题，模态分析目的就是计算管道固有频率和振型，确定其动力学特性。

根据该管线设计资料，利用ANSYS软件对其建立有限元模型进行模态分析。从模态分析结果来看，该管道第3阶和第6阶固有频率分别为7.41HZ、15.26HZ，这与前文振动频谱中主振频率吻合。因此可以判断引起管道振动超限主要原因是管内流体激励引发的共振。管内流体流场不稳定，产生宽频能量带，当管道固有频率落在能量带中，且与能量带中幅值较高频率一致时，便产生共振。

在ANSYS模态分析振动图上，可以看出，在弯头处，振动位移最大，这与现场验证结果一致，证实管道柔性偏大。

4.振动治理方案

管道系统在随机激励下，会产生相应响应，正常运行管道系统振動微分方程如下：

由公式2、3、4可知，N自由度系统共有N个固有频率，N个固有振动，N个固有振型。系统固有频率和振型与外界激励无关，由系统质量矩阵和刚度矩阵性质决定。由公式5、6可知，要改变管线系统振动响应，可考虑改变管系质量分布、刚度和外部激励源。多数情况下管道激扰力很难完全消除，管系振动难以完全避免，还需要采取措施尽量缓解振动，使其响应控制在允许范围之内，即改善管系结构特性。由于质量矩阵在管道尺寸和管线形状确定后，一般不可能有明显的改变，所以改善管系振动特性主要方式为提高管系结构刚度（即弹簧系数）或增加管系结构阻尼。根据管道振动情况以及施工空间，决定采用以下处理措施：

a收紧刚性吊架吊杆，使之受力；

b考虑到该管道布置及现有生根情况，制定初步减振方案。通过在管道竖直管段增加X、Y向限位支架，增加管道刚度，降低管道振动水平。

5.振动改造效果

5.1 振动幅值

振动治理方案实施后，测振人员再次对管线进行振动信号采集。测量结果表明该管线振动速度值已低于限值，X、Y向振动速度值与改造前相比有大幅度降低，Z向振动有所抬升，但总体在合格范围之内，改造效果良好。

5.2 振动频谱

对改造后的振动频谱进行分析得到，管道主要优势频率对应振动峰值明显降低，其中X方向振动峰值由22mm/s降低至3.2mm/s以下，Y方向振动峰值由24mm/s降低至3.0mm/s以下，这说明管道固有频率已避开激励能量较强频率范围。

5.3模态计算验证

对治理后管道进行有限元模态分析，可以发现管道第3阶和第6阶固有频率明显发生变化，第三阶固有频率提高至13.37HZ，第六阶固有频率提高至23.98HZ，已经避开了高能共振区，管道刚度大大增加。

5.4 计算偏差分析

将计算结果与试验数据进行对比，有限元计算结果与实际结果相差无几，最大差值在3.9%之内。计算结果偏差可能由以下几个方面引起：计算模型边界条件理想化、支吊架安装位置偏差以及管道内流体密度理想化（计算时认为介质密度为1000kg/m?）等。

6.结论与建议

诚如前文所述，管道振动原因较多，而有效的振动治理必须依据准确的原因分析。通过将ANSYS模态分析引入核电厂常规岛减温水管道振动原因分析，可准确、高效实现管道超标振动治理。同时，在研究及实践中可知：

1.引發CEX系统凝汽器A背包减温水管道振动主要原因为管道固有频率在流体激振下发生共振，管系整体柔性过大导致管道晃动较大。

2.ANSYS模态分析可准确获取管道固有频率和振型。本文通过将ANYSY计算结果与测试试验数据对比，结果表明本ANSYS模态计算结果有较高置信度。

3.在针对多自由度振动、管道设计复杂尤其是测量仪器无法使用情况下，ANSYS模态分析对确定管道振动原因、验证改造效果有极大帮助。

在开展CEX减温水管道振动治理过程中也发现，在设计上较多考虑管道强度，而对管道刚性设计及动态振动考虑不足，阀门及支管位置不合理，使得部分管道在运行状态下存在先天不足，这也是导致国内核电厂在运行之初都普遍开展管道振动治理的主要原因。因此建议在设计及安装阶段，将各运行电厂反馈的振动问题加以梳理，并及时将问题消除在设计阶段。

本文通过将ANSYS模态分析引入振动分析及治理，解决了CEX减温水管道超标振动问题，消除了机组运行中的安全隐患，为国内核电厂常规岛管道振动治理提供较好的参考价值和借鉴意义。

参考文献：

[1]赵岳、何超、徐伟祖. 核电厂调试期间核级管道振动测量工作改进 [J].核动力工程，2015，10（5）：111-113.

[2]赵岳、何超、徐伟祖. ANSYS模态分析在核电厂管道振动问题中的应用 [J].中国核电，2015，10（8）：1312-1317.

[3]DL/T 292-2011 火力发电厂汽水管道振动控制导则 [S] 中华人民共和国电力行业标准