前置泵入口管道振動分析、控制及安全性評定

張海 陳盛廣 王軍民

摘 要：某600MW機組前置泵入口管道在運行過程中存在明顯的振動現象，通過現場測試、管道模態分析，認為管道振動原因為激振力頻率與其固有頻率一致引起管道共振所致。在管道模態分析、應力校核計算的基礎上通過增加不同類型的減振裝置改變管道固有頻率的方法，避免管道產生共振，從而減小道振動幅度。減振方案實施后管道振動幅度明顯降低，管道應力均合格。

關鍵詞：前置泵入口管道；振動；頻率；振動治理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.039

1 管道振動概況

某600MW機組自投運以來，前置泵入口管道存在振動問題，尤其在特定工況及其相應的介質流量工況下，振動更加明顯，曾造成前置泵地腳固定銷斷裂、阻尼器損壞，甚至造成停機事故，影響了該機組運行的經濟性及安全性。前置泵入口管道一端連接除氧器，另一端連接前置泵，管系上布置有1只閥門及5只彎頭，管系設計較“軟”，在水介質流量、壓力等因素變化的情況下，管道中流場的變化會在閥門及彎頭處產生激振力，激振力可激起管道的振動。在特定負荷及其相應的介質流量工況下，流體產生的激振力與管道的振動相耦合，則管道在特定工況下振動幅度較大。在同樣激振力的情況下，管下剛度越小（水平方向約束不足），一般其相應的振動位移幅度越大[1]。為了機組的安全運行，對前置泵入口管道振動進行原因分析及治理是必要的。

2 管道振動原因分析

2.1 管道振動特征測試

為了掌握前置泵入口管道的振動特性及振動原因，在管道振動幅度相對較大時（機組負荷為600MW），選取測點（圖1#5支吊架位置）對管道振動進行了測試，管道振動頻率及峰峰值如表1所示，由此可知，管道主要以水平方向振動為主（X方向振動較大），在垂直方向振動幅度較小，振動主頻率在1Hz至3Hz范圍內，振幅峰峰值達5.0mm，管道振動總體特征是低頻高幅。

2.2 模態分析

引起管道振動的原因較多，但從理論上來說都是由于激振力引起的。通過查閱原設計資料可知，該前置泵入口管道設計時， 主要考慮了管道的一次、二次應力是否合格，但忽略了管道振動特征。當不穩定的介質經過閥門、彎頭時產生激振力，從而激起管道振動，尤其是激振力頻率與管道固有頻率接近將引起管道共振，危害更大。因此，有必要對管道的固有頻率進行計算，從而判斷管道實測振動頻率是否與其固有頻率一致。本文采用CAESARⅡ2011軟件對前置泵入口管道進行模態分析，主要計算參數見表2，管道固有頻率計算結果見表3。

模態分析結果表明，計算得到管道第一階固有頻率為1.9Hz，管道的第一階頻率所對應的第一階振型以水平X方向為主，振型見圖2；計算得到管道第二階固有頻率為2.0Hz，第二階固有頻率對應為水平Y方向的為主，振型見圖3。模態分析得到第一階及第二階固有頻率及其對應的振型與現場測試得到的管道主振特征相吻合。這說明機組滿負荷運行時，激振力頻率與管道固有頻率一致產生了共振，從而導致管道振幅增加。

3 管道振動治理方案

針對前置泵入口管道設計較“軟”及特定工況下共振的情況，簡單且易實施的方案是增加不同類型的減振裝置。一方面增加水平方向的約束從而提高管系的剛度，增強管系抗振的能力；另一方面提高管系低階固有頻率（尤其是第一階及第二階固有頻率），使管系固有頻率“避開”激振力頻率中的低頻成部分，避免共振，從而降低管道振動。

綜合現場振動特征及模態分析結果制定如下振動治理方案：（1）增加#2a X向減振裝置、#8aX向減振裝置；（2）增加#5a阻尼器、#6a阻尼器；（3）將#1導向支架的管部與根部間間隙整改至設計值；（4）將#2、#3彈簧支吊架的載荷調整至設計安裝載荷值。

模態分析結果表明：增加減振裝置后，前置泵入口管道的第1階固有頻率由1.9Hz升高為3.3Hz，第2階固有頻率由2.0Hz升高為4.6Hz（表4），管道的固有頻率得到了明顯升高，產生共振的第1、2階振型消失，管道振動得到了有效控制。

4 安全性評價

4.1 應力計算結果

增加減振裝置后，管道的應力狀態隨之發生了改變，因此，還應通過應力校核計算驗算減振方案實施后管道的一次應力和二次應力是否合格[2]。應力計算結果表明：管道減振方案實施后，管道最大一次應力及最大二次應力分別為許用值的38.8%、12.6%，管道應力合格，能滿足管道正常運行的要求。

4.2 減振裝置對其生根地板的影響

前置泵入口管道振動治理所增加的#5a、#6a阻尼器生根于混凝土地板上，因此，需要對管道振動通過阻尼器傳遞到地板上的作用力進行評價。基本思路是對管道振動時阻尼器管部的加速度進行測試，然后測算阻尼器對地板的作用力，結果如表6所示，由此可知，阻尼器對地板的的最大作用力為5760N/ m2（作用面積為0.81m2），混凝土地板設計允許作用力為10000N/m2，因此，阻尼器對其生根地板的作用力在其允許范圍之內。

參考文獻：

[1]倪振華.振動力學[M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[2]電力規劃設計總院.火力發電廠汽水管道設計規范：DL/T 5054-2016[S].北京：中國計劃出版社，2016.

作者簡介：張海（1974-），男，本科，中級工程師，總經理助理/電力生產委員會主任，研究方向：電廠熱能動力工程。