核電管道振動處理

王吉生

（中國核工業二三建設有限公司，北京 101300）

1 概述

核電機組投產運行后，常規島部分管道存在振動問題。一部分管道振動相當大，如主蒸汽管道、蒸汽旁路管道振動曾經造成疏水袋上測量信號不準、低壓給水管道振動造成泵入口過濾器支撐斷裂，一級再熱緊急疏水管道振動造成整根管道并連帶疏水箱一起振動，高加緊急疏水管線水錘振動造成支架斷裂。除此之外，高壓給水管道、中壓給水管道、蒸汽轉換新蒸汽管道、主給水旁路、二級再熱掃汽管道、凝結水管道、排污管道、部分儀表管線振動也很大。這些管道的振動給管道及機組的安全運行造成了很大的威脅，為此對振動的管道進行全面整治，消除機組安全穩定運行的隱患。

2 管道振動原因

在結構設計中，如能將靜強度、動強度、熱強度、疲勞與斷裂強度統一考慮，并提出一個滿足上述各項強度要求的綜合性準則，則從強度角度看，設計將進入一個比較理想的境界。但今天科學技術的發展還不能達到這樣的要求。而現實中管系設計往往采用靜力設計準則。靜力設計準則是指在實用載荷下，結構不得產生永久變形，在設計載荷下，結構不得破壞。靜力設計往往會導致靜力場不穩（剛度不足導致）和各式各樣的振動問題（動態特性不良導致），人們又不得不在按靜力準則設計的結構上，采取各種補救措施。

3 管道振動危害

振動對管道設備的危害很大，首先它容易引發管道上的測量儀表、信號線失靈，閥門限位桿的偏轉，甚至能引起儀表管線、電源線脫落，造成設備誤動，主蒸汽疏水袋振動曾引起儀表測量信號不準確，凝結水系統調節閥閥門限位多次發生偏轉；其次它能引起支吊架斷裂，在管道劇烈振動時，部分支架、吊架會斷裂，如果處理不及時，會導致該管系上的其他支架斷裂，后果非常嚴重，高加緊急疏水管道因水錘產生激烈振動，先后三次將地腳支架振裂；第三它將加速材料的疲勞損壞，大大縮短材料的使用壽命，并容易引發管道焊接處的破壞失效，尤其是現場焊接死點，更容易被破壞，如被埋在地下的管道等。

4 管道振動處理方法

4.1 支吊架檢查

支吊架失效，將會降低管系的剛度，是誘發管道振動的原因之一，同時支吊架失效將會影響管道壽命。由于調試期間我們沒有對常規支吊架進行調整，因此當發現有管道振動以后，我們對現場的支吊架進行了大面積的普查，共發現368組支吊架狀態異常，并針對其存在的問題，分別在大修期間對其進行了調整。其存在的問題分類如下：①彈簧支吊架的鎖定裝置沒有拆除。為便于現場安裝，彈簧支吊架在出廠時都用鎖定裝置整定在冷態位置，現場安裝后應拆除鎖定裝置，否則，將相當于剛性支吊架，失去彈簧支吊架的作用。發現有10組彈簧支吊架的鎖定裝置沒有拆除，支吊架偏斜嚴重。由于支吊架的嚴重偏斜，將會對管道產生過大的附加側向力，引起管道受力不利。在對管道支吊架狀態檢驗中發現有部分支吊架由于沒有偏裝或偏裝錯誤而傾斜嚴重。發現有10組支吊架偏斜嚴重。②滑動支架脫空或剛性吊架拉桿不承載。由于安裝等原因，發現部分滑動支架脫空及剛性吊架拉桿松弛不承載問題，支吊架失效。發現有43組支吊架存在這類問題。

彈簧支吊架承載不合理，處于欠載或過載狀態。

4.2 消除激振源

在管道振動中，如果能找到激振源，并對激振源以有效控制或替代，是解決管道振動最有效的方法之一。在現場，我們發現了以下兩種情況：①調節閥出入口縮徑嚴重，且閥門內部產生汽蝕。CEX042VL原為雙座調節閥，該閥縮徑嚴重，閥門口徑只有150mm，而管道直徑為DN300，且在解體閥門時發現閥門內部有汽蝕現象。凝結水管道振動時我們懷疑是由該閥引起，后將CEX042VL更換為DN200口徑的套筒調節閥以后，管道振幅減小，現場高頻噪音消失。②閥門內漏，產生水錘造成管道劇烈振動。高加緊急疏水閥AHP038VL所在的高加緊急疏水管線，曾先后三次將支架振斷，現場觀察管道劇烈振動是在水錘后產生。將閥門用手輪關閉后，水錘消失，管道振動也消失。

4.3 調整管道系統的固有頻率避開激振頻率

現場的管道振動，只有一部分管道可能通過調整支吊架或控制激振源的辦法得到有效控制，大部分管道是通過調整管道系統的固有頻率避開激振頻率，從而避開共振的方法來治理管道振動，此方法在管道振動治理中最為常見。

4.3.1 增加減振點的位置

根據常規島測量結果，管道在哪個方向振動不明顯，由在該方向上不考慮減振點的設置，如中壓給水管道只有Y方向的振動，則只考慮在Y方向上設置減振點，主蒸汽管道、蒸汽旁路管道、高壓給水管道低壓給水管道只考慮在X、Y方向上增設減振點。減振點的設置除工程經驗外，還應考慮以下幾個因素：①減振點的設置應充分考慮其生根位置，其生根位置應是樓板、承重梁或剛度較高的平臺。同時增加的減振點不影響其他設備的操作、運行和維修。②減振點應盡量設置在管道系統剛度較小的位置，即管道振動較大的位置，以有效增加管道系統剛度。③減振點的設置應充分考慮管道系統的熱態位移，以改善管道、支架的受力情況。

4.3.2 建立固態模型分析

為了解管系的振動固有特性，為振動治理的設計提供指導，采用有限元Ansys計算軟件Piping模塊對治理前以及增加減振點后管道系統振動固有特性進行了計算。計算出振動治理前各管系前5階固有頻率，計算分析得出引起各管道振動的各低階振型，為減振點的添加提供參考指導，計算振動治理后各管系前5階固有頻率，理論上檢測治理的結果。從嚴格意義上說，現場的振動表現應為理論計算結果的合成，因此建立固態模型為管道振動治理提供有效的檢測手段。

4.3.3 力學分析

為了便于工程應用，根據力學等效性疊加原理，管道內壓應力和持續外載引起的應力。

管道在工作狀態下，由內壓、自重和其他持續外載產生的軸向應力之和，必須滿足下式的要求：

бL=pD2i/(D2o－D2i)+0.75iMA/W≤1.0[σ]t

式中p——設計壓力(MPa)；Do——管子外徑（mm）；Di——管子內徑（mm）；MA——由于自重和其他持續外載作用在管子橫截面上的合成力矩（N·mm）；W——管子截面抗彎矩（mm3）；[σ]t——鋼材在設計溫度下的許用應力(MPa)；i——應力增強系數；бL——由于內壓、自重和其他持續外載所產生的軸向應力之和(MPa)。

4.3.4 管道支吊架設計計算原理

管道支吊架設計的步驟如下所述：①利用標準跨距原理來選擇支吊架位置。假設在這點有一個剛性Y向約束，然后進行重量載荷分析。這種分析稱為“約束-重量”分析。在這一分析中，分布在每個約束上的重量載荷將被作為彈簧選型時的熱態載荷。②從管架位置除去約束，進行熱膨脹分析。這種分析稱為“自由-熱態”分析。每個支架位置的熱態位移將被作為彈簧選擇時的熱位移。③利用從約束-重量計算得出的熱態載荷和自由-熱態得到的位移，對每個點從彈簧表中選擇一個彈簧，利用彈簧剛度來確定安裝所需冷態載荷（預置的彈簧載荷）。④通過在每個彈簧作用點增加一個剛度等于彈簧剛度的約束并且通過增加彈簧預置載荷（冷態載荷）作為在持續載荷工況起作用的力來調整模型以反映彈簧的存在，然后重新分析所有載荷工況以獲得彈簧真實存在時的效應。

5 結論

總體來說，管道系統在振動治理前，管道在X、Y方向上的剛度較低，管道在該方向的振動較明顯，振動輻度較大，振動頻率較低。通過在管道系統上增加減振點以后，管系在該兩個方向的剛度得到明顯改善，管道振動幅度明顯減少，機組的安全運行得到有效的保障，達到預期的目的。振動治理前對增加減振點后的管道系統進行了應力復核，管道系統應力全部合格。同時證明了此種振動治理的方法，對治理管道的低頻振動較為有效。