贾勇：浅析火电厂汽水管道振动的成因及治理 |
| 2012-10-30 11:32 作者：贾勇 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网10月30日讯】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，火电厂中的汽水管道较多，管道系统振动现象经常发生，通过浅析汽水管道振动的成因及治理方法，目的在于提高火电厂的安全性和经济性。引用国内常用管道振动测量方法，分析管道系统振动成因，从而保证治理方案的准确性，并制定预防管道系统振动的方案，进一步提高汽水管道运行的稳定性。
1汽水管道系统振动的危害
汽水管道系统振动在火电厂日常生产运行中是一种多发现象，振动的产生是由于力的交替变化。同时连接于管道的转动机械也将受此影响，产生不正常的振动，造成转动机械的伤害。另外，由于管道长期处于应力交变的工况下运行，大大缩短了管道的运行寿命，给安全生产带来极大隐患，严重时甚至可造成机组的非停事故。
2汽水管道系统振动的成因
管道系统振动的成因十分复杂，主要的诱因可能是系统中设备的外部动力，也可能是管道输送的介质流动产生的复杂作用力。系统对这些激励的影响程度，受到系统的设计取值、安装布置及实际运行工况等多方面影响。系统中设备的型式、管道的尺寸与走向的布置情况、管道系统支撑与约束的状况、实际运行状态与设计状态的偏差等，都可能是构成管道系统振动的原因。通常情况下分析管道系统振动的原因，主要从以下三个方面分析：
1）机械系统的动力平衡性。与管道系统相连的转动设备（比如汽轮机组、水泵等）的转动不平衡，将引起设备本身的振动，如果基础设施设计不当，转机的振动将通过基础或其他设施传递给管道，牵连管道振动[1]；
2）管道内部流体流动状况。管道系统布置的不合理情况（比如弯头过多、频繁改变走向）以及管件（比如阀门、孔板）对流体的作用，使介质流场突然改变，会导致管道振动；当流体在管道中流动时，若流速过大并超过某一允许流速时，也可能引起管道振动。所以在管道的设计规定中，一般都会根据管道输送的流体种类、应用场合、管道种类等因素限制管道内流体的允许流速；管道内两相流及“水锤”也是管道系统振动的主要原因之一；
3）管道流体的脉动压力。管道内的流体输送主要通过泵加压进行的，这种加压方式是周期性的。因此，有可能引起管道内实际的压力在平均压力的上下波动，即形成了所谓的“脉动压力”[2]。这种“脉动压力”作用于管道系统，会引起管道系统的振动，如果系统的约束不够牢固或减振性能不好，系统的振动会逐渐加剧。
3测量与分析
基于实际条件限制，火电厂主要采用电感测试与原因技术分析相结合的综合评价技术对管道系统振动状况进行评价，可比较准确地找出主要的振动原因并找到相应的治理措施[3]。
1）振动测试。通过测试可以直接获得系统振动的模态特征参数，如振动频率、加速度及振动位移幅度。振动测试一般采用电测法，测试直接得到的是振动频谱，经过数据处理得到需要的振动模态参数。
2）原因分析方法。原因分析就是结合现场实际情况及对测试结果的验证，综合考虑运行、安装及设计等多方面因素的影响，进而判断振动产生的原因。
4治理及预防
治理可分为以下几个环节：1）治理实施步骤。现场察看初步诊断。目视检查，了解振动症状及现场测试条件，确定测试方案；2）现场测试及原因分析。现场测试采集数据，结合设计、安装及运行资料进行原因分析；3）评价。对系统运行可靠性与使用寿命做出评价；4）制定振动治理并实施验证，根据要求提出治理措施。
预防思路：1）消振。对能消除的原因进行根治。比如流速过高引起的振动，可以通过扩大管径降低流速的办法；2）减振。对不能消除的原因引起的振动只能用间接措施来改善情况。比如动力不平衡引起的振动、孔板引起的振动只能通过增加约束或分解振动能量（改变伸缩节位置）等方法；3）避振。对有共振现象的振动，通过改变固有频率避免共振。可以改变系统的刚性，也可改变系统的质量，使系统的固有频率避开外部激励频率，避免共振。
5工程实例
5.1工程概况
某电厂为4×600MW机组，该厂锅炉为上海锅炉厂设计生产的亚临界、四角切圆、一次中间再热、控制循环、固态排渣汽包炉。锅炉型号为SG-2028/17.5-M908，锅炉设计为平衡通风，单炉膛∏型布置。锅炉主给水管道规格为Φ453×51.5mm、管道材料为A106B、设计温度为281.6℃、设计压力为23.5MPa。
从机组投产后不久，高压给水管道就开始出现振动现象，振动最严重时可明显看到振幅较大，由于振动作用部分保温已经出现损坏现象，支吊架也出现松动现象，若不及时治理将会进一步加剧振动的发生。为防止振动程度的进一步扩大，保证机组安全运行，应该对此段管道进行彻底治理。
5.2振动测量及计算过程
实际振动测量结果为，当机组负为450MW时，给水流速大约为3.61m/s，给水压力为16.5Mpa，管道振动比较微弱，振幅基本保持在1mm以下。当机组负荷升至560MW时，给水流速随之增大到4.51m/s，给水压力升高至17.1Mpa，管道振动随之增强。当给水流速达到4.80m/s时，给水压力也增加至18Mpa，此时管道振动最为强烈，振幅达到最大，其中300号支吊架最大振幅为15.1mm，320号支吊架最大振幅为13.5mm，340号支吊架最大振幅为14.2mm。随后采取缓慢降负荷的方法，使给水流速和压力随之降低，振动逐渐减弱，直至振幅降到1mm以下，降负荷过程管系振动变化比升负荷过程减缓很多。
利用应力分析和模态分析软件建立实际管道的计算模型，计算正常运行状态下管道的热态应力，校核静态工作应力，进行管道振动模态分析；根据现场测量数据、管道静态应力分析计算和管道振动模态分析制订管道振动治理方案。管道三维模型如图1所示：
图1高压给水管道立体图
5.3振动治理方案
5.3.1振动原因分析
通过现场观察、管道固有频率、阵型的分析和实际振动的测量结果分析，得出：
1）关于给水泵等转动设备的振动通过传递致使管道发生振动的假设。通过现场观察，给水泵无明显振动现象，给水泵位置距离振动管道段距离较远，中间相连接的管道较长，而且中间相连接的管道上有高压加热器、阀门、法兰等设备和管路元件。显然，此种假设并不成立。
2）关于激振力的频率与管道某阶频率重叠或接近形成共振而产生的振动。
一般情况，管系共振现象多为低频共振。在此段管道中，可能形成共振成因的激振力为给水泵。汽水管道的介质输送需要采用旋转机械来实现，由于机械运转（给水泵）输送的流体具有间歇性，管内的工质的压力和速度都是不稳定的，随时间变化而出现不连续变化，对于给水泵而言，其引起的激振频率计算结果为606.7HZ。从计算结果可以看出，给水泵引起的激振频率较高，只能考虑高频共振。计算管系固有频率共为55阶，其最高阶频率为381.251Hz。由给水泵激振频率计算结果远大于管系最高阶频率，因此，没有发生共振现象的可能性。
3）管内流体的冲击，即由于流体的脉动作用而形成的振动。
通过宏观观察，给水管道较为复杂，其所在空间还布置较多其它管道。此段管道的特点为，管道距离较长，其中270-290管段为13.6m、290-330管段为19.1m、而330-410管段则达到了41.2m，由于管道长、管道固有频率过低，在水流的冲击作用下形成振动，加之个别支吊架的损毁，使振动现象越来越严重。
5.3.2振动治理方案
通过对振动原因的分析，认为可通过提高管系刚度的方法减小振动。经过几种方案的对比，选出对管系进行治理的最优方案为：在节点250、260、280、340、400处加阻尼器，节点310处加径向限位。同时，经过对减振方案施行前后管道振动情况进行对比，此方案实施成功，减振效果良好。
6结语
汽水管道系统振动是一项技术性较强的课题，由于管道系统振动的原因十分复杂，影响因素众多，对管道系统振动原因的分析要比对设备或构筑物的振动分析困难的多。要从复杂的原因成分中找出主要原因，单一的使用测试手段或计算分析是不充分的，需要从测试和计算两方面入手，将两种途径得到的结果进行比对，互相验证，运用测试与计算相结合的综合评价技术，才能从复杂的原因成分中找出起主要作用的原因，进而从根本上解决管道系统振动问题，保证火电厂生产的安全性和经济性。
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