核電廠工藝系統(tǒng)管道振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法

柳 鵬，錢立波

（核電秦山聯(lián)營(yíng)有限公司，浙江 海鹽 314300）

管道在高振動(dòng)水平的惡劣工況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其焊縫等危險(xiǎn)截面會(huì)存在較大的安全隱患，管道振動(dòng)還會(huì)對(duì)其上安裝的閥門、小支管等部件產(chǎn)生影響。在核電廠中，工藝系統(tǒng)管道的完整性顯得尤為重要。如何有效開展管道振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)價(jià)工作，成為擺在技術(shù)人員面前的一個(gè)現(xiàn)實(shí)工程問題。

與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，管道振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)價(jià)方法截然不同，除在測(cè)點(diǎn)選取、數(shù)據(jù)處理等方面的迥異外，由于每一條管道在結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、工況等諸多方面都不盡相同，所以管道振動(dòng)沒有整齊劃一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其評(píng)價(jià)數(shù)值是因管道而異的。

由于國(guó)內(nèi)沒有現(xiàn)行的管道振動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過研究部分核電廠及科研院所在管道振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方面的經(jīng)驗(yàn)和案例，本文重點(diǎn)參考《核電站管道系統(tǒng)試運(yùn)行及啟動(dòng)過程中的振動(dòng)測(cè)試要求標(biāo)準(zhǔn)》（ASME OM-S/G—2000 PART3），選取秦山第二核電廠某工藝系統(tǒng)部分管段作為研究對(duì)象，進(jìn)行管道振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法的初步分析與探索。

1 研究對(duì)象

選取的研究對(duì)象為秦山第二核電廠某工藝系統(tǒng)部分管段，見圖1中綠色部分，該管段在系統(tǒng)中所處位置及其外觀輪廓如圖1所示。

2 管道振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 計(jì)算公式

根據(jù)ASME OM-S/G—2000 PART3的規(guī)定，用于簡(jiǎn)化的振動(dòng)速度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可接受的振動(dòng)峰值速度（單位：in/s或mm/s）表達(dá)式為：

式中：3.64×10-3——常數(shù)因子；

C1——補(bǔ)償特征管段上集中質(zhì)量影響的修正系數(shù)；

C3——考慮管道內(nèi)介質(zhì)和保溫層的修正系數(shù)；

C4——端部固定條件及管段形狀修正系數(shù)；

α——許用應(yīng)力減弱系數(shù)。

當(dāng)各參數(shù)取最保守值，即各參數(shù)的取值使最終計(jì)算出的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)趨于最小值時(shí)，對(duì)于碳鋼管道，值為12.7 mm/s，對(duì)于不銹鋼管道，值為21 mm/s。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

根據(jù)AMSE OM-S/G—2000 PART3規(guī)定，管道振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，首先要根據(jù)管道設(shè)計(jì)，將管道劃分成若干個(gè)特征段，分段考慮各段管道的結(jié)構(gòu)形式（直管、彎管、Z形、U形）、管徑、集中質(zhì)量和分布、各段的第一階固有頻率等，對(duì)各修正系數(shù)C1、C3、C4、C5和C2K2精確取值，算出各段允許的振動(dòng)峰值速度值。

首先，對(duì)圖1中綠色管段進(jìn)行特征分段并選取測(cè)點(diǎn)，見圖2。在圖2中，以不同色彩標(biāo)記管道分段情況，以A、B、C、D字母結(jié)合紅點(diǎn)標(biāo)記測(cè)點(diǎn)位置。其中，選取測(cè)點(diǎn)的原則是“選取振動(dòng)最大點(diǎn)”，即管道的最薄弱點(diǎn)。以簡(jiǎn)支梁特征的管段為例，其測(cè)點(diǎn)位置為管道中部。對(duì)于每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，將進(jìn)行水平方向（X向）與垂直方向（Y向）兩個(gè)方向的振動(dòng)測(cè)量。

以圖2中深綠色管段（A測(cè)點(diǎn)所在段）水平方向（X向）為例，進(jìn)行振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

參數(shù)取值：該管道材料為不銹鋼，外徑89 mm，壁厚3 mm，密度7930 kg/m3，管重6.45 kg/m；該管段上有一個(gè)節(jié)流孔板，視為集中質(zhì)量，集中質(zhì)量3.5 kg，該段管重19.7 kg，二者比值0.18，根據(jù)圖3，C1取值0.85；C2K2保守取值為4；該段管道內(nèi)介質(zhì)為常溫水，無保溫層，每米管長(zhǎng)內(nèi)水重5.41 kg，計(jì)算得C3值為1.28；該管段為兩端固定的非直管，彎頭為等腰三角形，故C4取值0.74；經(jīng)激振法測(cè)量，該管段的一階固有頻率為17 Hz，測(cè)量主頻為99 Hz，二者比值0.17，小于1.0，故C5取值1.0；該管段為不銹鋼材料，按照ASME規(guī)定，該材料管道落在ASME BPV Section Ⅲ中圖1-9.2.1（見圖4）或圖1-9.2.2（見圖5）定義范圍之內(nèi)，設(shè)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1011（最大值），按照?qǐng)D5中B曲線取值，則SN的值為16.5 ksi，計(jì)算得Sel的值為13.2 ksi；許用應(yīng)力減弱系數(shù)α取值1.0。

將上述參數(shù)值代入式（1）進(jìn)行計(jì)算得：

同樣的方法，可以計(jì)算出各點(diǎn)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值。各參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果詳見表1。

3 管道振動(dòng)測(cè)量

3.1 振動(dòng)測(cè)量?jī)x器與方法

進(jìn)行管道振動(dòng)測(cè)量所采用的儀器儀表及分析軟件有：

（1）ENTEK-IRD（美國(guó)）公司生產(chǎn)的DP 1500振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀；

（2）ENTEK振動(dòng)數(shù)據(jù)分析處理軟件；

（3）型號(hào)為970i的加速度振動(dòng)傳感器。

表1 管道振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果Table 1 Parameter values for standard calculation and calculated results of pipeline vibration

經(jīng)分析相關(guān)技術(shù)參數(shù)，該數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)滿足本文中管道振動(dòng)測(cè)量及分析的技術(shù)要求。

由于該管道為不銹鋼材料，故無法采用“以磁座吸附”的形式安裝傳感器。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，振動(dòng)測(cè)量人員采用了“在測(cè)點(diǎn)部位安裝鐵磁性臨時(shí)夾具，再以磁座吸附的形式安裝傳感器”的方式進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，該方案如圖6所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

按照ASME OM-S/G—2000 PART3的規(guī)定，管道振動(dòng)評(píng)價(jià)采用的是振動(dòng)峰值速度限值，因此，需要通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，得到管道振動(dòng)的峰值速度。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，振動(dòng)峰值速度就是指在一個(gè)完整周期內(nèi)的振動(dòng)速度幅值最大值。以圖7為例，在這個(gè)包含了一個(gè)完整周期的振動(dòng)時(shí)域圖中，振動(dòng)速度的正向最大值為80mm/s，負(fù)向最大值為-74 mm/s，因此，振動(dòng)峰值速度取值為80mm/s。

3.3 測(cè)量結(jié)果

按照前文所述的測(cè)量方法及數(shù)據(jù)處理方法，最終得到該段管道上4個(gè)測(cè)點(diǎn)各兩個(gè)方向的振動(dòng)峰值速度值，見表2。

4 管道振動(dòng)評(píng)價(jià)方法

表2 管道振動(dòng)測(cè)量值Table 2 Measured values of pipeline vibration

對(duì)于管道振動(dòng)的評(píng)價(jià)，主要采用ASME OM-S/G—2000 PART3的篩選方法。同時(shí)，參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，借鑒國(guó)內(nèi)部分核電廠在管道振動(dòng)測(cè)量、評(píng)估及治理方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，做出一個(gè)調(diào)整。調(diào)整內(nèi)容為：對(duì)于振動(dòng)峰值速度大于允許速度2倍值的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)管道，建議不進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量和評(píng)估，而直接采取減振措施。

最終，得到不銹鋼管道和碳鋼管道振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法分別如表3、表4所示。

5 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

按照上一節(jié)所述的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于本文中所選取管道上各點(diǎn)的振動(dòng)狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表5。

評(píng)價(jià)結(jié)果說明，該段管道的振動(dòng)尚未超出合格范圍，但是需要進(jìn)行跟蹤。

鑒于該工藝系統(tǒng)在核電廠運(yùn)行中的重要性，工作人員將建立一個(gè)周期性的振動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)劃，關(guān)注并分析其振動(dòng)變化趨勢(shì)，為該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。

6 結(jié)束語

管道振動(dòng)的測(cè)量與評(píng)價(jià)不僅僅需要準(zhǔn)確的測(cè)量方法和科學(xué)合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還需要結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行狀況，考慮經(jīng)濟(jì)、安全等多方面的因素，綜合判斷，才能達(dá)到合理監(jiān)測(cè)、科學(xué)評(píng)價(jià)的目的，以便進(jìn)一步做好管道振動(dòng)治理工作。

表3 不銹鋼管道振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法Table 3 Evaluation methods for stainless steel pipeline vibration

表4 碳鋼管道振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法Table 4 Evaluation methods for carbon steel pipeline vibration

表5 管道振動(dòng)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of pipeline vibration

[1]ASME OM-S/G—2000 PART3，核電站管道系統(tǒng)試運(yùn)行及啟動(dòng)過程中的振動(dòng)測(cè)試要求[S].（ASME OM-S/G—2000 PART3, Requirements for vibration tests during trail operation and startup of nuclear power plant pipe system [S].）

[2]ASME BPV Section Ⅲ，鍋爐及壓力容器規(guī)范第三卷[S].（ASME BPV Section Ⅲ, Boiler and Pressure Vessel Criteria.Vol.3 [S].）