转炉余热锅炉上升管振动分析及治理

孙 薇

（中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223）

在转炉余热锅炉的试运行和生产过程中，本体循环管道，尤其是上升管的振动现象时有发生。管道的长期振动，会造成支吊架松动失效、管道局部疲劳破坏，从而产生泄漏等事故；振动带来的噪声，会给生产操作人员的健康带来危害；振动产生的往复推力，会对设备的安全和寿命产生直接影响。解决和控制管道振动，对转炉汽化系统的安全运行非常重要。

某钢厂120t氧气顶吹转炉余热锅炉系统，通过3个循环冷却系统对汽化烟道进行冷却：（1）低压强制循环系统冷却活动烟罩；（2）高压强制循环系统冷却可移动烟道；（3）高压自然循环系统冷却主烟道Ⅰ段、主烟道Ⅱ段及尾部烟道。该转炉余热锅炉的高压强制循环系统如图1所示（低压强制循环系统和高压自然循环系统未在图中示出）。

图1 转炉余热锅炉高压循环系统

高压强制循环系统设置2台强制循环热水泵，设计出力为500m3/h，电机额定功率为132kW，1运1备。工程投产后，可移动段烟道所在的2根高压强制循环上升管在吹氧期间发生强烈振动，文章就此展开分析并提出整改措施。

1 管道振动的成因

管系是由管道及其部件、支架和与管道相连接的设备组成的结构系统，在激振力的诱发下就会产生振动。管系的振动是机械振动，产生振动的原因主要有来自管系自身的激扰力和来自管系外部的随机荷载作用两个方面，来自管系自身的主要有与管道相连接的设备的振动和管内流体不稳定流动引起的振动，来自系统外的有地震、风等。对于来自系统外的随机荷载引起的振动，由于振动时间较短且消失比较快，一般不考虑。

转炉炼钢是一个周期性的过程，每个周期包括兑铁水、加废钢、吹氧、出钢、倒渣等工艺过程，耗时36～38min，其中吹氧过程耗时约15min，吹氧过程中会产生大量高温烟气，经汽化烟道冷却后进入除尘系统。转炉余热锅炉的运行工况也相应为周期性过程，转炉吹氧过程中，汽化烟道内产生大量蒸汽，这些蒸汽以汽水混合物即汽液两相流形式通过本体循环的上升管进入汽包；非吹氧期间，由于汽化烟道内无热源，无蒸汽发生，本体循环管道内介质为单相流动。

对管道振动的发生机理，国内外进行了大量研究[1]。总体而言，可归结为如下三个方面：（1）流体脉动变化。管系内加压设备使管道内介质的压力和流速呈周期性的变化，产生介质脉动。（2）管道内部流体的流动状况。管系布置的不合理情况以及管道元件对流体的作用，使介质流场突然改变，导致管道振动。（3）管系的机械动力不平衡。与管系相连的机械设备的动力不平衡，会引起设备本身的振动；设备基础设计不当也会造成设备的振动从而引起管道振动。

结合工程实例，从现场运行状况来看，高压强制循环下降管流量计记录曲线显示，在整个冶炼周期中，高压强制循环流量基本平稳，波动平坦；对转炉余热锅炉现场的巡检也表明汽化系统的设备及设备基础无振动发生。由此可排除流体脉动变化和管系机械动力不平衡的原因。转炉余热锅炉本体循环上升管的振动主要是由管道内部介质流动状况引起的。

2 管道振动机理及振幅

气液两相流具有可变形的界面及不均匀的相分布，流动过程很复杂，同时气体的可压缩性也增加了其复杂程度[2]。气液两相流形态复杂，存在多种流型，这样各处的密度不完全相等，当流体流经弯头、异径管等流体流动方向发生变化的地方时，会产生激振力，此时管道在激振力的作用下产生振动。

上升管内介质流型及激振力示意图如图2所示。该图为1根两端为弯头的管道。某一瞬间，左侧弯头留过的流体气泡居多，右侧弯头留过的流体以液体为主。这2个弯头处流过的两相流质量不同，流速相等，各自对弯头的作用力F1和F2不等，因此在管道轴向的分力不同，可能管道此刻受到一个向右的轴向力，下一个瞬间，流体情况发生变化，于是管道受力也发生变化。不仅是力的大小改变，也可能有方向上的改变，这种不断变化的作用力就会引起管道振动。

图2 上升管内介质流型及激振力示意图

根据振动理论，得到一个多自由度（自由度为N）系统{x}的受迫振动方程[3]：

式中：[M]、[C]、[K]分别为质量、阻尼和刚度的N×N阶对称矩阵；分别为结构质点的加速度、速度和位移矢量；F(t)为N阶激振力列向量。

式（1）对角化后可获得每个自由度的受迫振动方程：

该方程的稳态解可写成：

大鼠进行脑缺血后瞳孔散大，眼睛由红变白，缺血前期呼吸加快变浅，缺血后期呼吸减慢变深；再灌注期间瞳孔由散大转为缩小，眼睛由苍白转为红润，且呼吸加深加快慢慢转为正常平稳呼吸。

式中：X为振幅；为相位。

由式（4）可知，(1-r2)2越小，振幅越大，即系统振动的固有频率fn与激扰力频率f越接近，受迫振动越明显。改变系统振动的固有频率使之偏离激扰力频率可以减少受迫振动。

因此，应控制两相流管道的固有频率，使其维持在一个合理的范围之内。一般来说，当管系各阶次的固有频率与激振频率相差20%以上，就可以避免共振的发生。

3 上升管的振动及应力分析

3.1 管道振动及应力分析内容

管道应力分析包括静力学分析和动力学分析。静力学分析包括压力载荷和持续载荷作用下的一次应力计算校核，管道热胀冷缩以及端点附加位移等载荷作用下的二次应力计算校核，管道支吊架、法兰的受力计算校核等。动力学分析包括管系的模态分析、受迫振动响应分析。

根据管道的模态分析确定结构固有频率和振型，模态分析是线性分析，除了边界位移约束，再无其他外载荷。忽略阻尼，振动方程（1）可写成：

由于弹性体的自由振动总可以分解为一系列简谱振动的叠加：

式（7）为频率方程，由此可得出结构的自振圆频率ωi，i=0,…,n，由fi=ωi/2π可计算出结构的自振频率。ωi对应的特征向量，{ωi}为结构的振型。

3.2 上升管应力计算及结果

发生振动的2根上升管在CAESAR Ⅱ软件中的模型如图3、图4所示。由图可知，2根管道走向基本一致。为区别起见，这2根管道分别称作上升管a、上升管b，图中数字为管道模型中的节点号。2根上升管的上端10号节点为管系与汽包接点，下端260号节点为与汽化烟道的节点，两个管系在均80～100号节点的管段发生X轴方向大幅振动，并带动两端100～130号节点斜管段及50～80号节点垂直管段同步振动。

图3 上升管a模型

图4 上升管b模型

2根上升管设计参数相同，如表1所示。利用CAESAR Ⅱ的动态计算模块中的modal分析功能对管道进行固有频率计算，得到上升管的1～5阶固有频率，如表2、表3所示。

由表2、表3可见，上升管a和上升管b的一阶固有频率分别为0.363Hz及0.379Hz。

由于气液两相流流动的复杂性，通过流体计算获得气液两相流激振力的时程曲线非常困难，因而通过理论计算获得两相流的激振频率很困难。目前，两相流的研究多采用基于实验数据的经验式或半经验式。笔者利用CAESAR Ⅱ软件对该2根上升管的各阶振型进行动力学模拟分析发现，在各阶固有频率下，管系振动的部位及方向各有不同。其中，第一阶固有频率下2根上升管的振动情况均与现场实际振动情况完全相符，如图5、图6所示。可以判断，2根上升管内介质的激振频率与管系一阶固有频率接近，分别为0.363Hz及0.379Hz。

表1 管道设计参数

表2 上升管a固有频率计算结果

表3 上升管b固有频率计算结果

图5 上升管a一阶振型动态模拟

图6 上升管b一阶振型动态模拟

4 整改措施

上升管在一阶固有频率附近发生振动，根据前文分析可知：当管系各阶次的固有频率与激振频率相差20%以上，可以避免共振的发生。故解决措施有两个：（1）减小流体的激振频率；（2）增加管系的固有频率。

减小流体的激振频率需要通过改变管道走向、改变流道尺寸或增加强制循环水泵流量等措施，使流体的流动状态发生改变从而达到改变激振的目的。上述方法对于已投产系统来说，实施费时、费用过高，不宜采用。

而提高管系固有频率需要提高管系结构刚度，最常用办法是合理布置支吊架，即尽可能在适当的位置设置刚性约束的固定支架、导向支架、滑动支架或拉撑杆等其他限位装置。另外，可以缩小支吊点的间距，即增加支吊架数量。设置防振动液压阻尼器也是一个十分有效的办法。液压阻尼器是20世纪70年代发展起来的一种对速度反应灵敏的减振装置，其工作过程可以用“刚柔相济”来描述：在管道或水泵正常膨胀时能随之缓慢移动，此时几乎没有阻尼力；在荷载瞬变时，对管道产生刚性约束，遏制管道或设备产生较大振动，保护管道。

2根上升管管道布置简洁、短直，从支吊架设置方面看，已在可以布置支架的地方尽可能多地设置了管道支吊架，通过管道静力分析计算，相关人员也在二次应力许可范围内设置了限位支架，部分管段支架间距较大，但其间无供新增支架生根的钢结构，无法新增支架，所以最终决定在振动剧烈的80号节点弯头附近的垂直管段上，增设一对水平方向的安装位置互成90°的液压阻尼器，安装位置在60号节点。

利用CAESAR Ⅱ的动态计算模块中的modal分析功能对增加阻尼器后的管道进行固有频率计算，得到上升管的1～5阶固有频率，如表4、表5所示。

表4 上升管a增设阻尼器后的固有频率计算结果

表5 上升管b增设阻尼器后的固有频率计算结果

由表4、表5可知，增加阻尼器后，2根上升管的一阶固有频率分别提高至0.962Hz及0.909Hz，提高幅度达140%～165%，有效避开了激振频率，理论上可避免管道的振动。

增加阻尼器而不更改支吊架设置，对管系的一次应力和二次应力无影响，管道的静力学计算也验证了这个结论。

5 结束语

管道增设阻尼器至今已运行半年，2根上升管运行过程中未发生较大幅度的振动，证明整改是成功的。