管道振動的測量評價與故障診斷

顏軍明 陳燦 王海衛 史慶峰 蔣 翔 楊 剛 王贊娥

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

1 管道振動測量

傳感器拾取管道振動信號。適用于管道振動測量的傳感器類型主要有：位移傳感器（電渦流、差動）、速度傳感器（磁電、激光）、加速度傳感器，其中加速度傳感器因動態線性范圍寬、質量小、抗干擾能力強、耐用可靠等優點在管道振動測量中廣泛使用[1]。

管道振動原始信號經信號處理（信號放大、抗混濾波、模數轉換）后送入振動數據采集系統，經濾波、積分、快速傅里葉變換（FFT）處理，得到管道振動速度峰值及振動頻譜。

2 管道振動評價

管道振動測量結果評價依據ASME OM-S/G-2000 第3 篇《核電廠管系預運行和初始起動時的振動試驗要求》規范中的速度標準[2]。許用速度峰值表達式為：

式中，C1為補償管道特征跨度上集中質量（如閥門等）影響的修正系數；C2、K2為ASME 鍋爐和壓力容器規范規定的二次應力、局部指數，對于大多數管系C2K2≤4；C3為考慮管內介質和保溫層質量的修正系數，W 為單位長度內的管道重量，Kg/m、WF為單位長度內管內介質重量，Kg/m、WINS為單位長度內的保溫層重量，Kg/m，對于無保溫且空的管道或蒸汽管道，C3=1；C4為考慮管道不同支撐形式的修正系數，對于直跨兩端固定，C4取1.4；對于懸臂和簡支梁，C4取1.33；對于等弧Z 形彎頭，C4取0.74；對于等弧U 形彎頭，C4取0.83；C5為考慮偏離共振的強迫振動的修正系數，等于管跨一階自然頻率與主頻率之比；SA為ASME 鍋爐和壓力容器規范規定的交變應力，MPa；α 為許用應力折減系數。

將實際測得的管道振動速度VP與計算所得Vallow進行比較，若VP≤Vallow，則管道振動合格；反之，管道振動不合格。

3 管道振動故障診斷

管道振動超標后，結合管道振動頻譜，從振源分析、運行工況分析、支撐分析三個方面進行管道故障診斷，提出管道振動處理方案，處理方案現場實施后，重新進行振動測量驗證方案是否有效。

圖1 汽動泵入口管道振動測點圖

以國內某發電機組輔助汽動給水泵（下簡稱汽動泵）入口管道為例，該管道布置及振動測點見圖1。小流量工況下，測點1 水平方向（1H）振動幅值達119.5mm/s，超過管道振動限值85mm/s，振動不合格。

3.1 振源分析

引起管道振動的力稱之為激振力。綜合考慮該泵的情況，該泵激振力的來源主要有：

a）汽動泵本體的振動傳遞至入口管道。

b）入口管道內流體流場不穩定，產生激振力。

c）與入口管道相連的其他旋轉機械正常運行產生振動傳遞至入口管道。

小流量工況下，汽動泵轉速約為8400 轉/分，其產生的激振頻率主要是8400/60=140Hz；與汽動泵入口管道相連的旋轉機械設備為輔助電動給水泵，電動給水泵額定轉速為2980 轉/分，其產生的激振頻率主要為2980/60=49.7Hz。

經查看振動超標時振動頻譜，頻譜主要頻率成分為21.36Hz，未見明顯的49.6Hz、140Hz 頻率及倍頻的峰值，由此可以確定汽動泵入口管道的振動不是汽動泵本體、與進口管道相連的其他旋轉機械正常運行引起的。同時，考慮到汽動泵運行工況為小流量，小流量工況下的流場一般不穩定，因此汽動泵入口管道振動激振力最有可能來源于入口管道內流體流場的不穩定。

不穩定流場能產生寬頻能量帶。當管道的固有頻率落在能量帶中，且與能量帶中幅值較高的頻率成分一致時，便產生共振。汽動泵入口管道振動超標后，對未充水情況下的入口管道進行敲擊測試，測得的管道固有頻率約為20Hz，與振動超標頻譜中振動主頻基本一致，因此，我們認為汽動泵入口管道振動超標的主要原因為共振。

3.2 支撐分析

經現場查看管道支撐，發現W229.306 支架與底板存在間隙，現場安裝情況見圖2，不能約束管道-Z 向位移，而該支架設計為滑動支撐，現場支架狀態與設計功能不符合。

3.3 振動處理措施及效果

在無法改變管道中流體狀態的前提下，消除共振故障的方法是提高管道的固有頻率，讓管道的固有頻率避開不穩定流場產生的能量帶中幅值較高的頻率成分。管道固有頻率的調整主要通過調整管道剛度和質量來實現，考慮系統的運行工藝要求和現場安裝條件，改變管道固有頻率以改變管道支撐形式和位置最為可行、有效。結合汽動泵入口管道現場支架情況，建議先處理W229.306 支架缺陷，主要處理措施如下：在W229.306 底板下墊入UC 板，消除底板與支架之間間隙，使支架功能滿足設計要求，調整后支架狀態見圖2。

圖2 W229.306 支架調整前后對比圖

現場支架調整后，小流量工況下1H 測點的振動幅值降至56.1mm/s，管道振動合格。振動合格后汽動泵入口管道振動主頻增加至31.13Hz，有效避開了小流量工況下管道激振頻率。

4 結論

對管道進行振動測量、分析和評價，可以檢測出系統的薄弱點及預測系統中可能出現的過量振動，為管道系統的安全、可靠運行奠定良好基礎。另外，根據對振動超標管道的實際處理經驗，管道支架的設計及安裝是否符合要求是引起管道振動超標的主要因素，需要在機組設計和安裝階段引起足夠的重視。

［1］李德葆，陸秋海.工程振動試驗分析[M].北京：清華大學出版社，2004：3，24-33.

［2］ASME BPVC-ⅢASME 鍋爐和壓力容器規范：第Ⅲ卷[S].1998.

［3］ASME OM-S/G-2000 第3 篇 核電廠管系預運行和初始起動時的振動試驗要求[S].