某電廠主蒸汽管道振動(dòng)原因分析及治理

汪小峰，陳銳

(1.江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007； 2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

某電廠#7機(jī)組鍋爐是由東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1036/18.2-Ⅱ4型鍋爐，機(jī)組于2005年8月14日通過168 h試運(yùn)行。2017年3月，運(yùn)行人員日常巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道鍋爐左側(cè)出口水平段及第1個(gè)彎頭處存在明顯振動(dòng)現(xiàn)象。主蒸汽管道是高溫高壓管道，管道長期振動(dòng)會使管道結(jié)構(gòu)及管道附件產(chǎn)生疲勞破壞，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，技術(shù)人員對#7機(jī)組主蒸汽管道振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行評估。

1 管道振動(dòng)分析

管道振動(dòng)是影響管道相連接設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、造成管道材質(zhì)疲勞損傷、影響管道測量裝置記錄數(shù)據(jù)的重要因素。管道振動(dòng)還可能導(dǎo)致管道局部應(yīng)力超標(biāo)、管道材質(zhì)加速老化，嚴(yán)重時(shí)還可能引起焊口開裂，局部產(chǎn)生較大變形，最終引起管系失效[1]。

引起汽水管道振動(dòng)的主要原因?yàn)榉謨纱箢悾阂皇枪艿老到y(tǒng)自身原因，另一個(gè)是管道系統(tǒng)外因素。管道系統(tǒng)自身原因包括管道布置設(shè)計(jì)是否合理、管道內(nèi)流體狀態(tài)是否正常；管道外因素主要包括管道所連接設(shè)備是否振動(dòng)、地震載荷、風(fēng)載荷等[2]。

消除汽水管道振動(dòng)主要有以下幾種方法：改變管道系統(tǒng)布置，改變管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)，改變管道結(jié)構(gòu)剛度、阻尼等[3]。改變管道系統(tǒng)布置一般成本較高，耗費(fèi)的時(shí)間較長，改變管道內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)往往需要改變機(jī)組運(yùn)行工況，所以通常情況下會選擇改變管道阻尼或管道結(jié)構(gòu)剛度來治理管道振動(dòng)[4]。

1.1 管道振動(dòng)情況

該電廠#7機(jī)組主蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力為17.40 MPa，設(shè)計(jì)溫度為545.0 ℃，主管道規(guī)格為?455 mm×50 mm，管道材料為A335P91。機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后主蒸汽管道過熱器出口管段一直存在X方向上的間隙性振動(dòng)，主要振動(dòng)管段位于#901～#904吊架間，其中#902～#903吊架間的彎頭及豎直管段處振動(dòng)最為明顯，振幅最大。主蒸汽管道主要振動(dòng)段布置如圖1所示。

圖1 主蒸汽管道主要振動(dòng)管段布置示意

1.2 管道應(yīng)力分析

由于管道存在振動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)DL/T 616—2006《火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修調(diào)整導(dǎo)則》要求，減振前后管道一/二次應(yīng)力均應(yīng)小于許用應(yīng)力。技術(shù)人員利用CaesarⅡ軟件對主蒸汽管道、再熱蒸汽冷段管道及高壓旁路管道進(jìn)行了建模及聯(lián)合計(jì)算，得到了主蒸汽管道應(yīng)力校核結(jié)果，見表1。

表1 主蒸汽及高壓旁路管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

管系應(yīng)力復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，管道未出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)情況。因此，在不改變管系支吊架布置形式的條件下，只要各支吊架冷、熱態(tài)工作狀態(tài)正常，主蒸汽管系中的應(yīng)力均不會超過許用應(yīng)力，從管系應(yīng)力角度分析，管系能夠安全運(yùn)行。

圖2 X向振動(dòng)加速度曲線

圖3 頻譜分析曲線

圖4 通過二次積分獲得的振動(dòng)位移曲線

1.3 管道振動(dòng)測試

采用管道振動(dòng)測試設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場測試，傳感器為東華DH201壓阻式加速度傳感器，為便于傳感器的固定，將傳感器布置在振動(dòng)最明顯管段的#903吊架管夾橫擔(dān)上(管夾橫擔(dān)與管道緊密連接，管夾橫擔(dān)的振動(dòng)基本能夠反映管道振動(dòng)情況)，測試結(jié)果如圖2～圖4所示。

通過圖2可知，該管道的振動(dòng)呈現(xiàn)不連續(xù)性，時(shí)大時(shí)小，并無穩(wěn)定的振動(dòng)狀態(tài)，據(jù)此推測，振動(dòng)是管內(nèi)流體的狀態(tài)不穩(wěn)定所導(dǎo)致的。對該加速度曲線進(jìn)行頻譜分析，管道主要振動(dòng)頻率為1.172 Hz。對振動(dòng)較為明顯的230～280 s時(shí)間段內(nèi)的加速度曲線進(jìn)行二次積分，獲得振動(dòng)位移曲線(如圖4所示)。由4圖可知，主要振動(dòng)幅度大部分在9 mm左右，最大幅度在15 mm左右(考慮到現(xiàn)場振動(dòng)并不是很均勻，在此不以單個(gè)周期為對象，而是以一段時(shí)間內(nèi)帶寬幅度分布為對象)。

2 振動(dòng)治理方案

依據(jù)DL/T 292—2011《火力發(fā)電廠汽水管道振動(dòng)控制導(dǎo)則》附表2的規(guī)定，最大峰值振動(dòng)速度大于34.7 mm/s時(shí)，振動(dòng)狀態(tài)評估為不合格。由測試結(jié)果計(jì)算可得：振幅峰峰值為9 mm，最大峰值振動(dòng)速度為33.1 mm/s，已經(jīng)接近34.7 mm/s；振幅峰峰值為15 mm，最大峰值振動(dòng)速度達(dá)到55.2 mm/s，遠(yuǎn)超34.7 mm/s的評判值。因此，該主蒸汽管道振動(dòng)評估為不合格，應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)治理。

阻尼器屬于緩沖吸能裝置，用以保護(hù)管道免受偶然動(dòng)態(tài)工況的破壞，而當(dāng)管道處于正常工況時(shí)，它能夠適應(yīng)管道因?yàn)闊崦浝淇s而出現(xiàn)的緩慢移動(dòng)但對管道幾乎沒有限制，不會改變管系應(yīng)力分布。

鑒于該管道振動(dòng)主要為X方向振動(dòng)，其他方向振動(dòng)并不明顯，需通過加裝X向液壓阻尼器進(jìn)行振動(dòng)控制。結(jié)合現(xiàn)場安裝條件，可以在62 m高程處的豎直向管段以及#901及#902吊架之間的水平管段上分別加裝工作載荷為50 kN的X向液壓阻尼器。

3 治理效果

機(jī)組檢修時(shí)在主蒸汽管道上加裝了2組阻尼器，如圖5所示。機(jī)組正常運(yùn)行后對主蒸汽管系進(jìn)行了宏觀檢查，管道振動(dòng)現(xiàn)象得到了有效治理。

圖5 現(xiàn)場阻尼器安裝圖

機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，技術(shù)人員對管系進(jìn)行了治理后振動(dòng)測量，并與振動(dòng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。管系的最大峰值由治理前的15.0 mm降至治理后的6.0 mm，最大峰值振動(dòng)速度也從治理前的55.2 mm/s(不合格)降低至治理后的22.1 mm/s，振動(dòng)治理效果顯著。

4 結(jié)束語

(1)管道長期振動(dòng)會使管道結(jié)構(gòu)及管道附件產(chǎn)生疲勞破壞，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。主蒸汽管道應(yīng)力分析結(jié)果表明管系應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求，未出現(xiàn)一次/二次應(yīng)力超標(biāo)，加裝阻尼器也不會影響管系應(yīng)力。

(2)處理前管道最大峰值振動(dòng)速度超過標(biāo)準(zhǔn)要求，在設(shè)計(jì)位置加裝阻尼器后管系最大峰值振動(dòng)速度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表明振動(dòng)治理措施有效抑制了管道振動(dòng)。

(3)技術(shù)人員應(yīng)定期檢驗(yàn)加裝的阻尼器及管道運(yùn)行狀態(tài)，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。