核電廠堿計量泵出口管道振動分析及治理

王樹升，付江永

（山東核電有限公司，山東煙臺 265116）

0 引言

管道振動問題是電力行業長期存在的常見問題，管道振動可以加速材料的疲勞損壞，縮短材料的使用壽命，造成支吊架失效、疏水管斷裂。管道振動可以損壞管道閥門，閥頭振動速度高于管道振動速度，容易振松閥門元件，導致失控或泄漏，造成系統停機，損壞管道上的測量表管、儀表等設備，導致控制系統失靈。

某核電廠凝結水精處理系統堿計量泵出口管道振動大，振動問題可能造成管道系統的破壞，使管道系統不能穩定工作，甚至可能導致強堿泄漏，引發安全事故。經過振動分析和診斷，判斷管道振動大的原因為管道系統剛度偏低，導流體壓力脈動的諧振頻率與管道結構的固有頻率接近而引發共振。通過研究管道動態特性，在更換管道系統原有的彈性支撐及在管道合理位置增加支撐后，改變管道系統固有頻率，最終降低了管道振動。

1 振動測量

2017 年12 月，技術人員對凝結水精處理系統堿計量泵出口管道進行振動測量，管道系統振動測量結果見表1，管道布置及振動測點如圖1 所示，測量發現管道振動較大，測點3 最大振動值為58.1 mm/s，超過ASME 0M-PART3 要求的21.9 mm/s。

2 管道振動原因分析及治理措施

振動對于管道是一種交變動載荷，其大小取決于激振力的大小和管道自身的抗振性能。從管道自身結構來說，當振動頻率等于或接近管道的自振頻率時，將引起共振；如果管道整體剛度小、柔性大，缺少限位約束和阻尼，即使不在激振力共振頻率區，也容易引起管道較大振動。

管道振動的激振力又可以分為與管道相連接的機械設備或基礎的振動傳至管道的力，以及管道中流動的介質沖擊。對第二類振源有換向閥啟閉產生管內液壓脈動、控制運動部件制動時產生液壓沖擊、節流口處出現空穴、彎管內流體產生振動、管內流體流速過快和液壓泵參數設計不合理等情況。處理措施主要包括4 個方面。

2.1 避免共振

用分析或試驗方法對已設計建造好的管系識別出各階固有頻率，采取合理的支承方式和質量分布形式。使管系的固有頻率遠離激勵頻率區，以達到避免共振目的，用增大管徑也可以達到改變固有頻率，避免共振目的。

表1 堿計量泵出口管道振動測量結果

圖1 管道布置及振動測點

2.2 增加剛度及阻尼

對于建造好的管系，增大管徑、改變支承方式和質量分布受場址或其他條件限制時，可根據工程判斷分析或測試結果。在管系適當位置設置剛性約束，如固定支架、導向支架、滑動支架或限位裝置，也可在振動位移敏感點增設適當的橡膠、塑料、軟金屬等高阻尼材料的襯墊，必要時設置減振器和阻尼器，既能限制振動幅值，也有改善支承方式的效果。

2.3 調整介質流動模式

調整介質流動模式的主要目的是防止管內流動的液體對管道產生過大激勵，主要措施有：準確選取節流減壓閥件，如疏水閥、節流閥、調節閥等，使介質流動順暢；延長控制閥和轉向閥的啟、閉過程，避免液壓沖擊；在管路中設置集箱、空腔緩沖器、濾波緩沖器或蓄壓緩沖器；蒸汽管道的布置要盡可能增加坡度，使疏水通暢，盡量不要出現U 形段，形成積水，造成水擊振動。

2.4 降低與管系相連設備的振動

如果與管系相連的設備振動大，同樣會引起管道振動。應盡量將轉動設備產生的振動與管道隔絕開，以使管道不受外界振動力的激擾，并通過解決相應設備的故障，來降低設備及與其相連管道的振動。

對于堿計量泵出口管道，技術人員對堿計量泵本體進行振動測量，泵本體振動為2.0 mm/s，振動值較小，不足以帶動整個管道系統的振動。另外，泵出口管道系統中未設置閥門，不存在閥門開啟引起的沖擊等振動源。

3 振動數據頻譜分析

技術人員利用CSI2140 振動分析儀表對堿計量泵出口管道進行振動測量及頻譜分析，主要振動分量為5.25 Hz、8.01 Hz、10.75 Hz、13.25 Hz。對堿計量泵振動數據進行頻譜分析，堿計量泵的主要振動頻率為32 Hz。

堿計量泵主要振動頻率與管道的主要振動頻率不一致，說明管道振動源并非來自堿計量泵。從頻譜中可以看出，管道振動主要為低頻振動，這種現象產生的原因是由于管道支承剛度偏低，管道的固有頻率偏低，并且可能沒有避開管系的低頻共振區，導致管道在受到流體沖擊時易產生過大的管道振動。

為了進一步獲取管道系統的固有頻率，技術人員對管道建模，以計算管道系統的固有頻率。建立模型（圖2），計算出的固有頻率見表2。

圖2 管道系統建模

經建模及頻譜分析結果可以看出，引起凝結水精處理系統堿計量泵出口管道振動大的原因是管道的激振頻率與管道的各階固有頻率相差較小，引起多階固有頻率的共振。可采取調整管道走向，支承位置、支承結構及管道結構尺寸等方法，提高管道系統固有頻率。通常調整或增加支承來增加管道固有頻率的方法相對容易實現。

為準確找到改善管道系統固有頻率的支撐方式，技術人員對管道系統建模及仿真。經仿真計算后，將管道原有彈性支撐更改為剛性支撐，并在彎管處增加剛性支撐后，管道系統各階固有頻率將有大幅提高。

對擬改造后管道進行建模，計算固有頻率（表3），由分析結果可見，其固有頻率已基本避開激振頻率，可降低振動。

措施實施后，經振動測量，其測量結果見表4，對振動數據進行頻譜分析，分析結果見圖3。由測量結果及分析結果可知，管道系統振動均在ASME 0M-PART3 標準要求的保守值21.9 mm/s以下。從頻譜圖可以看出，引起管道系統振動大的主要振動頻率已消失。凝結水精處理系統堿計量泵出口管道振動問題得到圓滿解決。

4 結論

表2 計算出的管道系統固有頻率

表3 增加支撐后計算得到的管道系統固有頻率

表4 增加支撐后的振動測量結果

圖3 措施實施后的管道系統建模

管道振動在發電行業中屬于常見且較難治理的問題，在進行管道振動治理過程中，應該詳細分析管道振動的頻率成分，并與可能的振源進行對比，以此查找引起管道振動的真正原因。在進行管道振動治理過程中，利用模態分析軟件進行仿真建模，可以提高管道振動治理的有效性。本文通過對某核電廠堿計量泵出口管道振動問題進行分析和治理，為今后解決此類問題提供實踐參考。