核電廠常規(guī)島工藝管道振動(dòng)改善路徑的實(shí)例研究

楊宏飛，陽汾泉，黃偉

核電廠常規(guī)島工藝管道振動(dòng)改善路徑的實(shí)例研究

楊宏飛，陽汾泉，黃偉

（臺(tái)山核電合營有限公司，廣東臺(tái)山529228）

在核電廠常規(guī)島工藝管道方面，我國目前大部分采用的都是柔性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致管道中流體較不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振動(dòng)。所以要對常規(guī)導(dǎo)管道工藝進(jìn)行深入的改善，可以通過下文中的方案實(shí)現(xiàn)。

核電廠；常規(guī)島工藝管道振動(dòng)；改善路徑

因?yàn)楹穗姀S常規(guī)島的大部分管道工藝都是屬于柔性設(shè)計(jì)和非抗震類型的，所以就導(dǎo)致了管道不僅在水平方向和垂直方向的剛度都非常低，本文以某個(gè)核電廠的常規(guī)島主蒸汽管道至除氧器加熱管振動(dòng)改造為例，提出下列方案來進(jìn)行改善。

1 常規(guī)島改造的依據(jù)

常規(guī)島管道震動(dòng)的原因一般有兩個(gè)：第一個(gè)是因?yàn)樽陨砉艿赖脑O(shè)計(jì)和布置完全干擾并導(dǎo)致支架無法進(jìn)行正常的選型和布置，因?yàn)殇摴艿膭偠忍?，一旦發(fā)生干擾就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)；第二點(diǎn)是因?yàn)楣艿纼?nèi)的介質(zhì)處于高溫高壓狀態(tài)且不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致管道容易出現(xiàn)振動(dòng)（主要表現(xiàn)在管內(nèi)飽和蒸汽在管道變向和管徑縮放時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定流體，以及運(yùn)行過程中自身的繁瑣和被節(jié)流孔設(shè)計(jì)導(dǎo)致的不正當(dāng)使用）這是常規(guī)島工藝管道震動(dòng)的誘發(fā)因素。

管道的振動(dòng)是因?yàn)楣艿纼?nèi)流體不穩(wěn)定，以及管系自身工藝柔性設(shè)計(jì)的相關(guān)原因?qū)е?。通過支架應(yīng)力及管道盈利的計(jì)算對其進(jìn)行分析，要改善的是在不改變原有管道布置的前提下，通過改變支架的選型和布置位置來減少管道震動(dòng)，此是較為常用的辦法，提高管道的剛度反而會(huì)增加成本且減震效果不理想。

在之前的管道改造中，一般采取的是三種方法，這三種方法各有好處和弊端，三種方法分別是：

第一種是在管道振動(dòng)比較大的地方直接建設(shè)布置剛性進(jìn)行支持，此種方式雖然可以在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，但是長期運(yùn)行會(huì)造成安全隱患，因?yàn)閷⒅Ъ芴砑拥剿M(jìn)行管道應(yīng)力分析的位置，有可能就造成原有支架和現(xiàn)有支架的載荷過高；

第二種方法是增添阻尼器，這樣雖然可以降低設(shè)計(jì)量，從而對其改善，但是耗費(fèi)的金錢經(jīng)費(fèi)實(shí)在太多了[1]；

第三個(gè)辦法是修改自身工藝流程和管道的布置。這個(gè)方法雖然有所改善，但是并不能實(shí)際的去解決問題，其振動(dòng)效果沒有得到最大控制，并且在大量的設(shè)計(jì)量中，還浪費(fèi)了周期時(shí)間及金錢。

因?yàn)樯鲜龅娜齻€(gè)方法都有一定的缺陷，所以在大量分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了下述的改造方案。改善的流程如下：第一步，要先進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場勘測，同時(shí)給出監(jiān)測前后的振動(dòng)測量結(jié)果，從而制定合理改善方案；第二步，要進(jìn)行分析和計(jì)算震動(dòng)時(shí)的極限數(shù)值，從而分析振動(dòng)的原因；第三步，要進(jìn)行改善管道方案的可行性的論證；第四步，設(shè)計(jì)和改造管道的支吊架；第五步，要在改造完成后進(jìn)行全面的評測和對比，從而驗(yàn)證改造是否達(dá)到預(yù)期要求，在這我們將利用主蒸汽管道至除氧器加熱管為例來進(jìn)行敘述改造及改造后的結(jié)果。

2 常規(guī)島管道振動(dòng)改善路徑

（1）管道振動(dòng)測量。在改造之前，要進(jìn)行規(guī)范的振動(dòng)測量，現(xiàn)場勘查振動(dòng)較大的位置，測量管道的振動(dòng)幅值，X方向的振動(dòng)幅值在1 634 μm，Y向的振動(dòng)幅值在1 115 μm，Z向的振動(dòng)幅值在2 566 μm.

（2）管道振動(dòng)分析和計(jì)算限值。根據(jù)ASMEOM3的第五節(jié)進(jìn)行管道振動(dòng)限值，結(jié)果表明X方向的振動(dòng)限值是1 120 μm，Y向的振動(dòng)限值是638 μm，Z向的振動(dòng)限值1 321 μm，分析過管道的振動(dòng)幅值后，發(fā)現(xiàn)在三個(gè)方向的振動(dòng)幅值數(shù)據(jù)中的三個(gè)振動(dòng)指數(shù)看起來比較大，超過了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的范圍極限數(shù)值，所以，不能簡單地進(jìn)行改善并且創(chuàng)建支架。如果支撐位置沒有恰當(dāng)?shù)姆乐?，那么此支撐只能?huì)對管道進(jìn)行損害。或者又因?yàn)橥饬淼囊蛩馗淖兞讼鄬Φ恼駝?dòng)關(guān)系，從而不但沒有改善管道的振動(dòng)，反而加重了管道的損害，所以為了改善目的，確定改造方案，就必須根據(jù)管道的實(shí)際情況，利用PIPE728建立模型，進(jìn)行管道頻率的分析，分析結(jié)果顯示為第一階方向Z的頻率在0.18 Hz，第二階方向Z的頻率為0.41 Hz，第三階方向Z的頻率在0.47 Hz，第四階方向X的頻率在0.72 Hz，第五階方向X的頻率在0.83 Hz，通過在圖1新增支架的位置中可以得出一個(gè)結(jié)果：在固有頻率的分析下清楚地看到了在管道X、Z的兩個(gè)方向上，頻率很低，說明其它的剛度很小，容易被振動(dòng)，結(jié)合表1管道振動(dòng)極限中就可以得出了，在大部分管道振動(dòng)中的部位和方向與管道低階主模態(tài)的位置和方向一致，當(dāng)然也有小部分管道振動(dòng)和模態(tài)不相符[2]，但是面對這兩種情況，要進(jìn)行三個(gè)方面的改善。

圖1 新增支架位置

表1 管道振動(dòng)幅值

首先，要分析計(jì)算管系的振動(dòng)模態(tài)，在分析過后的振動(dòng)模態(tài)中要找出相對的位置，從而進(jìn)行有效的剛性支撐建設(shè)，有效的提高管系的耐震。

其次，要找到振動(dòng)部位、方向和主模態(tài)不同的位置上進(jìn)行支撐設(shè)置。

最后，要對管道的支吊架改善方案進(jìn)行分析和計(jì)算，從而在論述中證明出剛性支撐并不能良好的改善這個(gè)問題但是沒有其他的設(shè)備可以幫助減少振動(dòng)的情況下進(jìn)行設(shè)置阻尼器。

（3）要進(jìn)行改善的方案是：根據(jù)上文所說的辦法，在測量過后精準(zhǔn)地在一個(gè)位置進(jìn)行支架的增設(shè)，改造后的頻率是第一階方向Z的頻率在1.71 Hz，第二階方向Z的頻率在2.46 Hz，第三階方向Y的頻率在3.49 Hz，第四階方向X的頻率在4.17 Hz，第五階方向X的頻率在4.38 Hz和上述的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比過后得出的結(jié)論是，在進(jìn)行改善過后，有效地提高到了管道的抗擾，改善了管道振動(dòng)環(huán)境。

（4）改造結(jié)果。根據(jù)以上管道振動(dòng)分析及限值解散，改變了傳統(tǒng)支架的支撐方向及新添加剛性支架，改造之后的主蒸汽管道管道至除氧器加熱管振動(dòng)復(fù)制詳見表2，將表2和表1相互對比，表示改造之后的主蒸汽管道至除氧器加熱管的震動(dòng)幅值有所降低。

表2 改造之后管道振動(dòng)幅值

（4）分析改造方案的可行性。在對主蒸汽管道至除氧器加熱管進(jìn)行支架上的改造有一個(gè)前提條件，那就是在改善過后不能過分地去進(jìn)行主蒸汽管道至加熱管原有的熱脹設(shè)計(jì)和自重設(shè)計(jì)的降低，要保證改善過后管系的運(yùn)行是安全可靠的，因?yàn)楣艿雷陨淼脑O(shè)計(jì)本來就是柔性的設(shè)計(jì)，所以它有充足的寬松性質(zhì)。在管道中可能會(huì)出現(xiàn)膨脹導(dǎo)致的一些問題，從而破壞掉管道，有了這樣的設(shè)計(jì)，就不會(huì)因?yàn)榕紶柕囊淮螒?yīng)力過大就破壞掉現(xiàn)用的碳鋼或者不銹鋼管道。由于不能反復(fù)地進(jìn)行加載和卸載讓管道受到疲勞從而破壞掉現(xiàn)有的管道，所以要對管道的自限應(yīng)力進(jìn)行放寬限制，從而針對性地對柔性設(shè)計(jì)的振動(dòng)管系進(jìn)行支吊架改良設(shè)計(jì)，雖然可能舍棄掉了或者說犧牲掉了它原有的熱脹余量，但是卻完美地加強(qiáng)了管系的剛度的同時(shí)增加了管系的自重載荷[3]。

3 結(jié)束語

核電廠常規(guī)島及一般電廠都具有設(shè)計(jì)較柔的工藝管道，在管道不穩(wěn)定流體載荷中，一般都具有明顯的震動(dòng)，所以就要使用必要的措施對其進(jìn)行改善，保證核電廠工藝管道在運(yùn)行過程中的安全性。本文提出了現(xiàn)有方式的不足，以不改變管道傳統(tǒng)布置為基礎(chǔ)，提出了解決電廠管道振動(dòng)的問題，此方法安全、經(jīng)濟(jì)且有效，并且具有明顯的震動(dòng)改善效果，并且振動(dòng)幅值在允許范圍中。

[1]舒作敏.淺議核電站改進(jìn)項(xiàng)中管道的設(shè)計(jì)與布置[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（26）：199.

[2]姜鋒，趙軍軍，王娟怡.核電站改進(jìn)項(xiàng)中管道的設(shè)計(jì)與布置[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013（10）：92-93.

[3]李崗，梁兵兵，殷海峰.核電廠常規(guī)島工藝管道振動(dòng)改善研究[J].核動(dòng)力工程，2012（06）：93-95，100.

Case Study Plant Ci Process Piping Vibration Improvement Path

YANG Hong-fei，YANG Fen-quan，HUANG Wei
（Taishan Nuclear Power Joint Venture Co.，Ltd.，Taishang Guangdong 529228，China）

In the conventional island of nuclear power plant piping，at present most are used in flexible design，leading to the fluid in the pipeline is not stable，extremely easy to produce vibration.Therefore，we should improve the process of conventional island pipeline，put forward the following solutions to improve.

nuclear power plant；conventional island process piping vibration；to improve the path

TM623.1

A

1672-545X（2017）07-0161-02

2017-04-29

楊宏飛（1984-），男，陜西扶風(fēng)人，大學(xué)本科，工程師，主要從事核電站常規(guī)島管道設(shè)計(jì)采購管理工作。