應急柴油機燃油管道振動高原因分析和改造

賀成龍

廣西防城港核電有限公司

應急柴油機發電系統在電站失電事故中向電廠主要安全系統供電，確保電廠能及時實現緊急停堆[1]，而燃油系統在應急柴油機發電系統中執行燃油供應和回收功能。某電廠應急柴油機發電系統在功率試驗時，燃油系統中的回油管道振動速度超過限值，長期運行可能引起回油管道疲勞破壞，燃油無法及時回收，影響應急柴油機發電系統安全運行。因此，有必要對回油管道振動高進行原因分析，并對其進行改造。

柴油機燃油系統簡圖如圖1所示，油箱中的燃油先通過齒輪油泵提升壓力后進入燃油回路，再由注射油泵將燃油定量地注入油缸完成燃燒，而回路中未被利用的燃油則通過回油管道回流到油箱?；赜吐饭艿啦馁|為P265GH，規格（外徑×壁厚）25.4mm×3.38 mm，管道設計壓力4.4MPa，溫度60℃?；赜凸艿琅c燃油回路通過軟管連接，回油管道下游分為兩路，一路經過孔板減壓后直接回到油箱，另一路經過調壓閥，閥門開啟壓力為2 bar。

功率試驗中，回油管道中振動超標管段出現在彎頭6、彎頭7 和彎頭8附近，如圖2所示，最大振動速度達到56 mm/s，超過許用限值38.2mm/s，為保證燃油系統安全運行，分別在管道節點6與節點7、節點7與節點8之間分別增加了臨時固定裝置，加固后的管道最大振動速度下降到28 mm/s。

圖1 燃油系統簡圖

圖2 管道布置圖

1 原因分析

柴油機中每個油缸均配置有一臺注射油泵，如圖1所示，油泵注油瞬時引起燃油回路油壓下降，當壓降傳到油回路前端的齒輪泵出口和回流孔板時，將導致泵出力增加，孔板泄流減小，油壓上升，待油壓回升之后，注射油泵又再一次注油降低油壓，故注油過程將不可避免地引起管道中的油壓周期性波動。柴油機共有 18 個油缸，功率試驗時轉速 1000 r/min，注油周期為2轉/次，計算得出油壓波動頻率為150 Hz。另外，我們對管道彎頭6處的振動速度時域振動數據進行傅里葉變換，得出的頻譜如圖 3 所示，由圖可知，振動速度一階主頻為158 Hz，且主要頻率分布在 150～250 Hz的區間內，這與油壓波動頻率 150 Hz十分接近。

圖3 振動速度頻譜圖

燃油回路與回油管道設計為柔性連接，如圖1所示，能消除柴油機本體振動對燃油管道的激勵，但無法隔離管道內的油壓波動的傳播。當管道內的壓力波動傳播到管道彎頭處時，因流動方向的改變，在慣性力的作用下，易導致管道在彎頭處振動偏大，油壓波動頻率與管道振動主頻接近也證實了上述推斷。

分析管道布置情況，回油管道在節點5-9之間有3 處彎頭，且無支架固定，如圖2所示，在管道長度相同的情況下，彎頭數量越多，管道的剛度越低[2]。回油管道是一個復雜的連續彈性體，振動響應可以看成有限質點多自由度振動系統，對于n個質點無阻尼系統，其頻率方程[3]如下：

式中：K為剛度矩陣；M為質量矩陣；ω為各階固有頻率。由式（1）可得，系統的固有頻率與剛度和質量矩陣相關，在管道質量不變的情況下，管道的剛度與固有頻率成正比，現場在管道彎頭較多的區域，剛度較低，必然引起管道固有頻率下降，在低頻激勵下，易導致管道產生共振。

綜上所述，根本原因為管道內的壓力波動，促成原因為管道彎頭區域剛度不足，固有頻率低，最終導致管道在彎頭區域產生共振，引起振動速度偏大。

2 改造與分析

2.1 改造方案

為改善回油管道彎頭區域的振動偏大問題，可以從兩個方向采取措施：一是降低管道內壓力波動頻率，錯開管道的固有頻率，減少共振。二是提高管道的剛度，增大管道固有頻率，減小低頻共振?？紤]到注射泵相連管道內壓力波動為設備固有特性，及增加壓力波動隔離裝置的復雜性，采取增加管道剛度的簡單方法來減小振動。結合管道布置和現場安裝空間，具體方案如圖4所示，在管道節點7-8和 8-9 之間分別增加一處S2級導向支架。

圖4 新增支架后管道布置圖

2.2 應力校核

管道增加支架后，管道的應力重新分布，為保證管道在各類工況下完整性和功能性，根據 RCCM 規范[4]對增加支架后的管道應力、接管載荷和法蘭應力進行校核，結果如表1、2、3所示，由表可知增加支架后的管道應力滿足RCCM規范要求。

表1 管道功能性校核最大應力比

表2 設備接管載荷校核

表3 法蘭應力校核

3 改造效果

對比改造前后測點最大振動速度，結果如表4所示，由表可知，改造后測點最大振動速度由56 mm/s 降低為31.8 mm/s，低于振動限值 38.2 mm/s，大幅降低了管道的振動速度，達到提高管道剛度降低振動的預期效果。

表4 改造前后最大振動速度對比

4 結論

柴油機功率試驗中，油缸注射泵注油過程引起回油管道中油壓波動，軟連接無法隔離壓力波動傳播，當壓力波傳播到管道彎頭區域時，疊加管道彎頭處剛度不足，在慣性力的作用下，導致管道振動頻率與壓力波動頻率一致，產生共振，引起管道振動速度偏大。通過在管道彎頭增加導向支架，提高管道剛度，有效地降低管道的振動速度。同時，應力校核表明增加支架后管道應力值滿足RCCM規范要求。