基于ANSYS模態分析的減溫水管道振動問題分析與治理

趙岳 于景志 陳俠

摘要：核電廠常規島減溫水管道普遍存在強烈的振動，為確保管道系統安全穩定運行，需及時開展管道振動根本原因分析，以制定有效的振動治理方案。單純從現場采集振動數據以作為原因分析輸入存在明顯不足，本文通過現場振動試驗與有限元模態分析相結合的方法，獲取管線關鍵位置的振動參數及各點的振動大小和頻譜特性，并模態分析可準確獲取管系主要頻率及振型。經對現場振動問題開展多次分析可知，管道振動根本原因為流體激勵誘發結構共振。本文從管道振動控制機理出發，結合ANSYS模態分析數據，確定減溫水管道振動控制的主要對策，并制定了相應的振動治理方案。方案實施后，管系振動大幅下降，減振效果明顯，滿足相關標準的限值要求。最后對模態分析結果進行了偏差分析，并與振動試驗數據對比分析，結果表明本文采用的模態分析結果有較高的置信度。

關鍵詞：ANSYS模態分析；減溫水管道；振動治理；振動試驗

1.引言

核電機組設置有凝結水系統（CEX）減溫水管道，其作用是為疏水擴容器、汽輪機排汽口噴淋系統及旁路蒸汽系統進入凝汽器的排汽提供減溫水。在調試期間對常規島管道進行振動普查時，發現該管道存在振動較大現象。

管道振動過大會加速材料疲勞損壞，縮短材料使用壽命，引發支吊架松動，使得管道載荷分布和應力分布偏離設計要求，導致管道下沉、變形。一旦管道變形嚴重，輕則造成閥門元件或測量支管損壞，重則引發管道破裂、壓力邊界破壞，甚至導致停機。因此，必須開展管道振動根本原因分析，并采取相應的治理措施，以降低或消除管道振動。相關資料表明，汽水管道振動問題大多都是由流體激勵引起的共振造成的，當激勵力頻率等于或接近振動系統固有頻率時，將發生共振。通?？山柚鷮I儀器和分析軟件測量得到管道系統固有頻率和振型并判斷管道振動是否由共振引起，但專用儀器測量的使用會增加人力、物力成本，尤其是對于復雜的管道系統，其高階頻率測量難度高、精度差、周期長，所以理論計算分析對工程上確定固有頻率有著重要意義。本文擬采用ANSYS有限元軟件對管道系統進行模態分析，結合振動頻譜分析結果，以確定減溫水管道振動原因，完成振動治理方案。

2.管道振動描述

管道上設置有一個真空截止閥和電動調節閥，在管道投用時，電動調節閥全開。該管線共布置有四組支吊架，兩個支吊架為彎頭支架，兩個水平單拉桿剛性吊架。

目視檢查發現管道整體振動劇烈，手觸有酥麻感，并伴隨較大幅度晃動，閥門劇烈晃動。尤以彎頭處振動最為劇烈，振動幅度最大。劇烈振動還導致剛性吊架螺母松動。

3.振動原因分析

3.1振動頻譜分析

測振人員根據特征跨模型測點選取原則，選取晃動幅度最大處即垂直管段彎頭處為測點，進行振動測量，得到該管段振動頻譜和振動速度數據。振動峰值達22mm/s，主振頻率在7.4Hz、15.3Hz附近；Z向頻率雜亂，振動速度波形無明顯規律。結合現場情況，可判斷該處振動主要存在于X、Y方向。

現場核查發現，該管道布置呈U型，并在U型管底部，布置有兩個閥門，這種布置極易使管內介質產生流場擾動，流體沖擊管壁產生激振力，從而導致管道振動。從主振頻率來看，X、Y向振動頻率7.4Hz、15.3Hz，符合低速流體激振頻率范圍，因此初步判斷CEX系統凝汽器A背包減溫水管道振動是激振力引起的受迫振動，管道固有頻率落入流體激振力頻率范圍，產生共振。

管道支吊架在設計時，一般只考慮靜力計算，不考慮管道動態特性。根據管道設計資料，該管道屬于常溫管道，管道力學計算只考慮了支吊架的承載要求，而未考慮其減振功能。管道設計時除滿足強度需要外，還應滿足一定剛度需要，CEX系統凝汽器A背包減溫水管道較長，彎頭多，初步判斷管道柔性較大。進一步分析振動頻譜，當管道在X向隨機發生較大位移擺動時，產生兩種振動波形疊加的典型特征，說明管道同時存在較高頻率振動和較低頻率晃動，管道整體柔性偏大，導致管道產生較大幅度晃動。

3.2ANSYS模態分析

在結構動力學分析中，有限元模態分析本質上是一種理論建模過程，它建立在系統振動微分方程基礎上。管道系統振動主要以梁式變形為主，可以歸類為多自由度線性振動問題，模態分析目的就是計算管道固有頻率和振型，確定其動力學特性。

根據該管線設計資料，利用ANSYS軟件對其建立有限元模型進行模態分析。從模態分析結果來看，該管道第3階和第6階固有頻率分別為7.41HZ、15.26HZ，這與前文振動頻譜中主振頻率吻合。因此可以判斷引起管道振動超限主要原因是管內流體激勵引發的共振。管內流體流場不穩定，產生寬頻能量帶，當管道固有頻率落在能量帶中，且與能量帶中幅值較高頻率一致時，便產生共振。

在ANSYS模態分析振動圖上，可以看出，在彎頭處，振動位移最大，這與現場驗證結果一致，證實管道柔性偏大。

4.振動治理方案

管道系統在隨機激勵下，會產生相應響應，正常運行管道系統振動微分方程如下：

由公式2、3、4可知，N自由度系統共有N個固有頻率，N個固有振動，N個固有振型。系統固有頻率和振型與外界激勵無關，由系統質量矩陣和剛度矩陣性質決定。由公式5、6可知，要改變管線系統振動響應，可考慮改變管系質量分布、剛度和外部激勵源。多數情況下管道激擾力很難完全消除，管系振動難以完全避免，還需要采取措施盡量緩解振動，使其響應控制在允許范圍之內，即改善管系結構特性。由于質量矩陣在管道尺寸和管線形狀確定后，一般不可能有明顯的改變，所以改善管系振動特性主要方式為提高管系結構剛度（即彈簧系數）或增加管系結構阻尼。根據管道振動情況以及施工空間，決定采用以下處理措施：

a收緊剛性吊架吊桿，使之受力；

b考慮到該管道布置及現有生根情況，制定初步減振方案。通過在管道豎直管段增加X、Y向限位支架，增加管道剛度，降低管道振動水平。

5.振動改造效果

5.1 振動幅值

振動治理方案實施后，測振人員再次對管線進行振動信號采集。測量結果表明該管線振動速度值已低于限值，X、Y向振動速度值與改造前相比有大幅度降低，Z向振動有所抬升，但總體在合格范圍之內，改造效果良好。

5.2 振動頻譜

對改造后的振動頻譜進行分析得到，管道主要優勢頻率對應振動峰值明顯降低，其中X方向振動峰值由22mm/s降低至3.2mm/s以下，Y方向振動峰值由24mm/s降低至3.0mm/s以下，這說明管道固有頻率已避開激勵能量較強頻率范圍。

5.3模態計算驗證

對治理后管道進行有限元模態分析，可以發現管道第3階和第6階固有頻率明顯發生變化，第三階固有頻率提高至13.37HZ，第六階固有頻率提高至23.98HZ，已經避開了高能共振區，管道剛度大大增加。

5.4 計算偏差分析

將計算結果與試驗數據進行對比，有限元計算結果與實際結果相差無幾，最大差值在3.9%之內。計算結果偏差可能由以下幾個方面引起：計算模型邊界條件理想化、支吊架安裝位置偏差以及管道內流體密度理想化（計算時認為介質密度為1000kg/m?）等。

6.結論與建議

誠如前文所述，管道振動原因較多，而有效的振動治理必須依據準確的原因分析。通過將ANSYS模態分析引入核電廠常規島減溫水管道振動原因分析，可準確、高效實現管道超標振動治理。同時，在研究及實踐中可知：

1.引發CEX系統凝汽器A背包減溫水管道振動主要原因為管道固有頻率在流體激振下發生共振，管系整體柔性過大導致管道晃動較大。

2.ANSYS模態分析可準確獲取管道固有頻率和振型。本文通過將ANYSY計算結果與測試試驗數據對比，結果表明本ANSYS模態計算結果有較高置信度。

3.在針對多自由度振動、管道設計復雜尤其是測量儀器無法使用情況下，ANSYS模態分析對確定管道振動原因、驗證改造效果有極大幫助。

在開展CEX減溫水管道振動治理過程中也發現，在設計上較多考慮管道強度，而對管道剛性設計及動態振動考慮不足，閥門及支管位置不合理，使得部分管道在運行狀態下存在先天不足，這也是導致國內核電廠在運行之初都普遍開展管道振動治理的主要原因。因此建議在設計及安裝階段，將各運行電廠反饋的振動問題加以梳理，并及時將問題消除在設計階段。

本文通過將ANSYS模態分析引入振動分析及治理，解決了CEX減溫水管道超標振動問題，消除了機組運行中的安全隱患，為國內核電廠常規島管道振動治理提供較好的參考價值和借鑒意義。

參考文獻：

[1]趙岳、何超、徐偉祖. 核電廠調試期間核級管道振動測量工作改進 [J].核動力工程，2015，10（5）：111-113.

[2]趙岳、何超、徐偉祖. ANSYS模態分析在核電廠管道振動問題中的應用 [J].中國核電，2015，10（8）：1312-1317.

[3]DL/T 292-2011 火力發電廠汽水管道振動控制導則 [S] 中華人民共和國電力行業標準