前置泵入口管道振动分析、控制及安全性评定

张海 陈盛广 王军民

摘 要：某600MW机组前置泵入口管道在运行过程中存在明显的振动现象，通过现场测试、管道模态分析，认为管道振动原因为激振力频率与其固有频率一致引起管道共振所致。在管道模态分析、应力校核计算的基础上通过增加不同类型的减振装置改变管道固有频率的方法，避免管道产生共振，从而减小道振动幅度。减振方案实施后管道振动幅度明显降低，管道应力均合格。

关键词：前置泵入口管道；振动；频率；振动治理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.039

1 管道振动概况

某600MW机组自投运以来，前置泵入口管道存在振动问题，尤其在特定工况及其相应的介质流量工况下，振动更加明显，曾造成前置泵地脚固定销断裂、阻尼器损坏，甚至造成停机事故，影响了该机组运行的经济性及安全性。前置泵入口管道一端连接除氧器，另一端连接前置泵，管系上布置有1只阀门及5只弯头，管系设计较“软”，在水介质流量、压力等因素变化的情况下，管道中流场的变化会在阀门及弯头处产生激振力，激振力可激起管道的振动。在特定负荷及其相应的介质流量工况下，流体产生的激振力与管道的振动相耦合，则管道在特定工况下振动幅度较大。在同样激振力的情况下，管下刚度越小（水平方向约束不足），一般其相应的振动位移幅度越大[1]。为了机组的安全运行，对前置泵入口管道振动进行原因分析及治理是必要的。

2 管道振动原因分析

2.1 管道振动特征测试

为了掌握前置泵入口管道的振动特性及振动原因，在管道振动幅度相对较大时（机组负荷为600MW），选取测点（图1#5支吊架位置）对管道振动进行了测试，管道振动频率及峰峰值如表1所示，由此可知，管道主要以水平方向振动为主（X方向振动较大），在垂直方向振动幅度较小，振动主频率在1Hz至3Hz范围内，振幅峰峰值达5.0mm，管道振动总体特征是低频高幅。

2.2 模态分析

引起管道振动的原因较多，但从理论上来说都是由于激振力引起的。通过查阅原设计资料可知，该前置泵入口管道设计时， 主要考虑了管道的一次、二次应力是否合格，但忽略了管道振动特征。当不稳定的介质经过阀门、弯头时产生激振力，从而激起管道振动，尤其是激振力频率与管道固有频率接近将引起管道共振，危害更大。因此，有必要对管道的固有频率进行计算，从而判断管道实测振动频率是否与其固有频率一致。本文采用CAESARⅡ2011软件对前置泵入口管道进行模态分析，主要计算参数见表2，管道固有频率计算结果见表3。

模态分析结果表明，计算得到管道第一阶固有频率为1.9Hz，管道的第一阶频率所对应的第一阶振型以水平X方向为主，振型见图2；计算得到管道第二阶固有频率为2.0Hz，第二阶固有频率对应为水平Y方向的为主，振型见图3。模态分析得到第一阶及第二阶固有频率及其对应的振型与现场测试得到的管道主振特征相吻合。这说明机组满负荷运行时，激振力频率与管道固有频率一致产生了共振，从而导致管道振幅增加。

3 管道振动治理方案

针对前置泵入口管道设计较“软”及特定工况下共振的情况，简单且易实施的方案是增加不同类型的减振装置。一方面增加水平方向的约束从而提高管系的刚度，增强管系抗振的能力；另一方面提高管系低阶固有频率（尤其是第一阶及第二阶固有频率），使管系固有频率“避开”激振力频率中的低频成部分，避免共振，从而降低管道振动。

综合现场振动特征及模态分析结果制定如下振动治理方案：（1）增加#2a X向减振装置、#8aX向减振装置；（2）增加#5a阻尼器、#6a阻尼器；（3）将#1导向支架的管部与根部间间隙整改至设计值；（4）将#2、#3弹簧支吊架的载荷调整至设计安装载荷值。

模态分析结果表明：增加减振装置后，前置泵入口管道的第1阶固有频率由1.9Hz升高为3.3Hz，第2阶固有频率由2.0Hz升高为4.6Hz（表4），管道的固有频率得到了明显升高，产生共振的第1、2阶振型消失，管道振动得到了有效控制。

4 安全性评价

4.1 应力计算结果

增加减振装置后，管道的应力状态随之发生了改变，因此，还应通过应力校核计算验算减振方案实施后管道的一次应力和二次应力是否合格[2]。应力计算结果表明：管道减振方案实施后，管道最大一次应力及最大二次应力分别为许用值的38.8%、12.6%，管道应力合格，能满足管道正常运行的要求。

4.2 减振装置对其生根地板的影响

前置泵入口管道振动治理所增加的#5a、#6a阻尼器生根于混凝土地板上，因此，需要对管道振动通过阻尼器传递到地板上的作用力进行评价。基本思路是对管道振动时阻尼器管部的加速度进行测试，然后测算阻尼器对地板的作用力，结果如表6所示，由此可知，阻尼器對地板的的最大作用力为5760N/ m2（作用面积为0.81m2），混凝土地板设计允许作用力为10000N/m2，因此，阻尼器对其生根地板的作用力在其允许范围之内。

参考文献：

[1]倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社，1989.

[2]电力规划设计总院.火力发电厂汽水管道设计规范：DL/T 5054-2016[S].北京：中国计划出版社，2016.

作者简介：张海（1974-），男，本科，中级工程师，总经理助理/电力生产委员会主任，研究方向：电厂热能动力工程。