转炉余热锅炉上升管振动分析

辽阳市锅炉压力容器检验研究所 辽宁 辽阳 111000

前言

在转炉余热锅炉试运行以及生产工作开展中，本体循环管道，尤其是在上升管中经常会发生振动现象。管道在使用过程中长期出现振动问题，会导致支吊架出现松动实效、局部的管道疲劳破坏，导致出现管道泄露等事故等。且振动会产生一定的噪声，对生产操作人员的健康产生较大的影响，振动的出现会产生往复推力，对于使用设备的安全与寿命之间产生最直接的影响，想要解决并控制管道中的振动，对于炉汽化系统的安全运行非常重要。

一、管道振动的成因

管是由管道及其部件、支架以及管道等相连接成为的结构系统，会在激振力的诱发下产生振动。管系所产生的振动是机械振动，出现的主要原因是管系自身的激扰力与管系外部的随机荷载作用两方面导致的，会出现管道连接的设备之间产生的振动，以及管内流体不稳定所引起出现的振动，系统外部的主要有地震、风等因素。系统外部所引起的振动，存在的时间比较短且消失速度比较快，一般是不进行考虑的。

转炉炼钢是一个周期性的过程，每一个过程都包含了兑铁水、加废钢以及吹氧等工艺，需要消耗掉36-38min，其中吹氧需要的时间为15min，并且在该过程中会产生大量的高温烟气，经过汽化之后就会进入到除尘系统中。转炉余热锅炉的运行工作开展，相应的也是一个周期性的过程，在吹氧的过程中，汽化的烟道内部会出现大量的蒸汽，蒸汽会形成汽水混合物的形状，也就是汽液两相流的形式，在本体的循环上升管中进入到汽包中，在不吹氧的过程中，汽化的烟道中没有热源的存在，所以相应的也没有蒸汽存在，本体内的循环管道介质就是单项流动。

对于管道振动发生的机理，国内外的专家学者展开了大量的研究工作，总体将其概述为以下方面，(1)流体动脉变化，关系内部的加压设备在使用的过程中，会导致管道内部的介质压力与流速之间呈现出周期性的变化，继而产生介质脉动。(2)管道内部流体的流动状况，因为管系位置布置的不合理，以及管道元件对于流体产生的一些作用，都会导致介质的流场出现突然的改变，就会出现管道振动。管系中的机械动力不够均衡，与管系相连接的机械设备在使用过程中的动力不均衡，也会导致设备自身出现振动，工作中设备的基础设计不当，也会导致设备出现振动引起管道的振动现象出现。

结合工程开展的实际情况，从设备的现场运行状况来看，高压强制循环工作开展中，下降管的流量计可以清楚的记录曲线，在整个冶炼的周期中，高压强制循环流量始终处在平稳的发展中，出现的波动也是比较平稳的。对于转炉余热锅炉开展的现场的巡检工作，也表明了汽化系统的使用设备以及设备在基础无振动发生，所以可以排除流体脉动变化以及管系机械动力不平衡出现的原因，转炉余热锅炉的本体循环上升管出现振动，主要是因为管道内部的介质流动状况所导致的。

二、管道振动机理

气液两相流有着可变形的界面，并且存在不均匀的相分布，整个流动的过程是比较复杂的，气体的可压缩性也会增加各种复杂程度。气液两相流的形态比较复杂，存在着比较多的流型，这样的一种情况就导致出现不完全相等的密度出现，当流体在经过弯头、异径管等流体的流动方向发生变化时，就会出现激振力，管道会在激振力的作用下产生振动。

上升管内的介质流行以及激振力，在某一瞬间，当弯头左侧通过含有气泡比较多的液体时，右侧的管道弯头中也主要以液体为主，这是弯头流过的物质质量不同，流速相等管道的轴向分力不同，管道就会受到一个向右的轴向力，于是管道内部的受力出现变化。

三、整改措施

在上升管的一阶固有频率附近发生振动时，根据前面的先关分析，管道在各阶层固有的频率与激振评率相差20%以上，可以有效的避免出现共振的情况。并且有两种有效的解决措施，减小流体的激振频率，或者是增加管系的固有频率。

减小流体的激振频率需要改变管道的走向，改变流道的尺寸，或者是增加强制的循环水泵流量等措施，促使流体的流动状态出现改变，从而有效的达到改变激振的目的。针对于上述的方法，现今已经投入到实际的生产工作中，应用过程中需要的费用、时间都比较多，不适宜采用。

提升关系固有的频率，就需要通过提升管系结构刚度，最佳的使用方法就是布置出合理的支吊架，并且在最为适当的地方设置刚性的约束固定支架、导向支架等其他的限位装置。还可以缩小支吊点之间的间距，也就是增加支吊架的使用数量，或者是设置出振动液压阻尼龙器，也是非常有效的一种方法。液压阻尼龙器是上个世纪七十年代的一种对于速度反应比较灵敏的减震装置，在工作开展的过程中，可以使用刚柔并济进行描述。当管道或者是水泵正常膨胀的情况下，可以在内部缓慢的移动，并不会产生阻尼力，当荷载出现瞬变时，就会对管道产生一定的刚性约束，对管道或者是设备产生较大的振动，实现对管道的保护。

布置2根上升管，要保障管道的简洁、短直，从支吊架设置的角度来看，在已经设置支架的地方尽可能的选择多设置管道的支吊架，并且同时结合经历分析计算，由相关的工作人员开展二次计算，并且在应力允许的范围之内设置限位支架，部分的管段之间支架间距比较大，但是在其中并没有新增支架的钢结构，所以不能增加新的支架，最终决定在振动剧烈的部分，在其弯头附近的纯直管道上，增加以对水平方向上安装成90°的液压阻尼器。安装阻尼器的过程中不需要更改支架的设置，对于关系的一次应力与二次应力也没有较大的影响，并且在管道的静力学计算中也验证了这一点。

结语

管道中增设阻尼器至今运行时间较长，上升管在实际运行过程中，并没有发生较大的振动，所以证明整改工作的开展是比较成功的。