核電廠小徑管振動(dòng)測(cè)量評(píng)價(jià)實(shí)踐與啟示

高 飛，黃澎濤，褚 凱

（1.秦山核電廠，浙江嘉興 314300；2.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)核電機(jī)組數(shù)量增加和運(yùn)行時(shí)間的積累，小徑管及其連接失效成為影響機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。小徑管在核電廠的主要作用是引流、引壓、疏水、排氣（汽），在設(shè)計(jì)和建造規(guī)范中，其振動(dòng)安全分析在役前各階段沒(méi)有得到足夠的重視。

美國(guó)核電機(jī)組服役經(jīng)驗(yàn)反饋和過(guò)程工業(yè)失效案例[1]表明，針對(duì)小徑管振動(dòng)疲勞失效，需要進(jìn)行有效的管理和控制。EPRI（Electric Power Research Institute,美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)）在90 年代進(jìn)行了一系列小徑管/小支管的研究，發(fā)布了《小徑管插套焊接頭的振動(dòng)疲勞》和《插套焊振動(dòng)疲勞測(cè)試》等報(bào)告，系統(tǒng)闡述了小徑管振動(dòng)疲勞失效及控制思路。EPRI 材料可靠性項(xiàng)目2015 年更新《疲勞管理手冊(cè)》[2]，專門匯總了EPRI 在小徑管插套焊振動(dòng)測(cè)試、分析和管理方面的工作，ASME OM—2009[3]第3 篇附錄I 闡述了小支管振動(dòng)加速度評(píng)價(jià)簡(jiǎn)要方法，這些更新和補(bǔ)充標(biāo)志小徑管振動(dòng)測(cè)試、疲勞分析和管理已有章可尋。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家核電單位也開(kāi)展了小徑管振動(dòng)測(cè)試與治理及疲勞分析方面的工作[4-6]，但這些工作的思路仍然繼承了工藝管道疲勞分析的方法，而對(duì)于小徑管龐而雜、振動(dòng)原因多等特點(diǎn)沒(méi)有提出特有的管理、測(cè)試分析要素。本文簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)有的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析闡明小徑管的振動(dòng)測(cè)量、評(píng)價(jià)與管理。

2 小徑管振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)

本文的小徑管振動(dòng)測(cè)量和評(píng)價(jià)內(nèi)容僅適用于運(yùn)行穩(wěn)態(tài)工況下的VMG-2[3]，不包含瞬態(tài)振動(dòng)疲勞累積計(jì)算和更詳細(xì)的管線力學(xué)分析（VMG-1）。小徑管是指母管的支管，通常指公稱直徑≤2 英寸，也包含支管與母管直徑之比＜10%的管道。

2.1 小徑管振動(dòng)評(píng)價(jià)方法

2.1.1 振動(dòng)加速度評(píng)價(jià)方法

該方法適用于懸臂結(jié)構(gòu)末端帶有集中質(zhì)量點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。應(yīng)力計(jì)算參考公式（1），許用應(yīng)力引自參考文獻(xiàn)[7]。其他質(zhì)量集中點(diǎn)明顯，且末端阻尼小的管線也可參考此方法。該評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)便、針對(duì)性強(qiáng)，但是對(duì)應(yīng)不同尺寸小徑管不同焊接型式的根部許用應(yīng)力缺乏全面詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前只能參考日本三菱公司的部分實(shí)際結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。ASME（American Society of Mechanical Engineers，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)）OM 卷第3 篇附錄I 弱化小徑管尺寸，同化不同焊接型式的焊接接頭削弱系數(shù)，這對(duì)數(shù)量龐大、焊接結(jié)構(gòu)差異明、顯焊接質(zhì)量無(wú)控制手段的小徑管難以適用。

圖1 懸臂結(jié)構(gòu)示意

應(yīng)力計(jì)算公式：

式中M——振動(dòng)引起的力矩，N·mm

σ——振動(dòng)引起的應(yīng)力，MPa

W——集中質(zhì)量（如閥門質(zhì)量），kg

L——集中質(zhì)量中心到應(yīng)力評(píng)估點(diǎn)（支管根部）的距離，mm

Z——支管截面模量，mm3

2.1.2 振動(dòng)速度評(píng)價(jià)方法（圖2）

該方法要求在管道系統(tǒng)上的不同點(diǎn)對(duì)振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，以確定最大振動(dòng)速度所在的位置，該點(diǎn)上的的最大峰值速度與允許峰值速度進(jìn)行比較，當(dāng)時(shí)，振動(dòng)合格。

允許峰值速度的表達(dá)式：

式中 13.4——轉(zhuǎn)換系數(shù)，mm/s/MPa

C1——補(bǔ)償特征管段上集中質(zhì)量影響的修正系數(shù)

C4——端部條件修正系數(shù)，當(dāng)端部非固定約束以及形狀非直管段時(shí)，進(jìn)行修正，兩端固定的直管段，C4取1.00，該值對(duì)直管段的任何實(shí)際端部邊界條件都是保守的。簡(jiǎn)支和懸臂管段C4取值1.33；等邊Z形彎頭C4取值0.74；等邊U 形彎頭C4取值0.83

Sel——0.8SA（SA為ASME BPVC 第Ⅲ卷第1 分冊(cè)附錄圖I-9.1 中106次循環(huán)下的交變應(yīng)力，或圖I-9.2.2 中1011次交變循環(huán)下的交變應(yīng)力，分析計(jì)算時(shí)考慮溫度對(duì)彈性模量的影響），MPa

C3——管道內(nèi)介質(zhì)和保溫層的修正系數(shù)，管道沒(méi)有保溫層且空載或者介質(zhì)為蒸汽時(shí)，C3=1

W——單位長(zhǎng)度管道的質(zhì)量，kg/m

WF——單位長(zhǎng)度管道內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量，kg/m

WINS——單位長(zhǎng)度管道上保溫層的質(zhì)量，kg/m

C5——考慮強(qiáng)迫振動(dòng)偏離共振的修正系數(shù)，等于特征跨距管道固有頻率與實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率之比。當(dāng)頻率比小于1.0 時(shí)，C5取值1.0；當(dāng)頻率比1.0～2.0 時(shí)，C5取值等于該比值；頻率比大于2.0 時(shí)，暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)參考

C2——二次應(yīng)力系數(shù)，見(jiàn)ASME BPVC 第Ⅲ卷NB-3680

K2——局部應(yīng)力指數(shù)，見(jiàn)ASME BPVC 第Ⅲ卷NB-3680

α——許用用力減弱系數(shù)，使用ASME BPVC 第Ⅲ卷第1分附錄圖I-9.1 時(shí)，α 取值1.3；使用圖I-9.2.1 或I-9.2.2 時(shí)，α 取值1

如果對(duì)公式（2）中的所有修正系數(shù)取保守值，可以得到任何管道形式的初步振動(dòng)速度篩選值。對(duì)于碳鋼/低合金鋼而言=12.4 mm/s，對(duì)于不銹鋼管道而言

圖2 連續(xù)管線的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)估點(diǎn)

許用速度和應(yīng)力之間的基本關(guān)系是基于管道振型與一階固有頻率振型一致的假設(shè)推導(dǎo)。在不考慮振動(dòng)加速度、幅值、頻率和振型的情況下，可以使用速度判據(jù)。公式中的修正系數(shù)C5考慮了非共振時(shí)的強(qiáng)迫情況，不考慮頻率修正系數(shù)的速度判據(jù)是不保守的。電廠多跨距管系，使用速度判據(jù)之前須確定每個(gè)跨距的頻率比，以證明速度標(biāo)準(zhǔn)可用。

2.1.3 振動(dòng)位移評(píng)價(jià)方法

振動(dòng)位移評(píng)價(jià)方法要求在管系上測(cè)得最大振動(dòng)位移。振動(dòng)位移可以通過(guò)振動(dòng)加速度二次積分獲得，同時(shí)也可獲得響應(yīng)頻率，用以輔助確定跨距模型和振源?？山邮艿墓艿勒駝?dòng)位移（峰值mm）用式（4）表達(dá)：

式中 9907——轉(zhuǎn)換系數(shù)，MPa

L——特征跨長(zhǎng)度，mm

K——形狀系數(shù)

Do——管道外徑，mm

C2、K2、Sel與公式（3）定義相同。

這個(gè)方法在小徑管振動(dòng)評(píng)估實(shí)踐中很少使用，該方法的假設(shè)在小徑管振動(dòng)分析上限制較多[9]：①公式建立的基礎(chǔ)是一階振型，有彎頭的管線布局是指面外振動(dòng)；②最大振動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生在最大彎矩處；③管道在所分析的跨距上直徑不變，且主要適用于直徑2 英寸以上厚度schedule160 以下管道；④所分析跨距上沒(méi)有集中質(zhì)量、流體、保溫等的影響。

2.2 小徑管振動(dòng)測(cè)量設(shè)備

目前，市場(chǎng)上缺乏專門針對(duì)管道振動(dòng)測(cè)量和評(píng)估的便攜設(shè)備。從國(guó)內(nèi)已發(fā)表的眾多文獻(xiàn)資料中發(fā)現(xiàn)，目前管道振動(dòng)分析大多借助于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量手持采集設(shè)備，如Emerson CSI-2140、ProftechnikVibXpertⅡ等。文獻(xiàn)[7]推薦了加速度、速度、位移三種振動(dòng)傳感器，在小徑管振動(dòng)實(shí)踐應(yīng)用中，三種傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)（表1）。

表1 振動(dòng)傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量與數(shù)據(jù)分析評(píng)估

在某核電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)目視及激光測(cè)振儀對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)小徑管的振動(dòng)進(jìn)行篩選，對(duì)有振動(dòng)異常懷疑的管線使用Emerson CSI 2140 配合PCB 三軸加速度傳感器進(jìn)行更為細(xì)致的振動(dòng)測(cè)量，并使用上述的方法評(píng)價(jià)，匯總結(jié)果見(jiàn)表2，其中，加速度評(píng)價(jià)方法的許用值是小徑管不同焊接形式下的許用應(yīng)力，單位是MPa；速度評(píng)價(jià)方法的許用值是小徑管的振動(dòng)速度限值，單位是mm/s。

將所測(cè)得小徑管振動(dòng)峰值、峰值頻率與計(jì)算振動(dòng)許用值、管道一階固有頻率進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

（1）有5 條管線的固有頻率低于10 Hz，有2 條10 Hz 左右，非常符合現(xiàn)場(chǎng)低頻高幅振動(dòng)的目視特征。固有頻率偏低是由管道支撐不足、剛度不夠引起，極易被振動(dòng)源激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，多組測(cè)量數(shù)據(jù)表明峰值頻率與固有頻率接近，管線振動(dòng)落入共振區(qū)間（如管線9），因此建議對(duì)這些管線增加支撐以增加抵抗振動(dòng)激勵(lì)的能力，減少因振幅過(guò)大引起小徑管根部交變應(yīng)力。

（2）管線7 振動(dòng)幅值非常接近許用值，考慮到速度評(píng)價(jià)方法的假設(shè)和不可知的焊縫質(zhì)量，該管道閥門下游的焊縫存在振動(dòng)疲勞失效的可能?，F(xiàn)場(chǎng)查看閥門后有兩條對(duì)接焊，推測(cè)該位置曾對(duì)焊縫進(jìn)行過(guò)維修。根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)，該管線振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力可能來(lái)自支管不連續(xù)處渦流造成支管內(nèi)壓力脈動(dòng)，在流場(chǎng)不可改變的情況下，應(yīng)對(duì)渦流脈動(dòng)和振動(dòng)進(jìn)行分析，重新確定集中質(zhì)量閥門的位置以及減少管線焊縫，增強(qiáng)焊縫質(zhì)量和檢查頻度。

從本次小徑管振動(dòng)測(cè)量和分析結(jié)果分析，小徑管振動(dòng)疲勞失效管理的重點(diǎn)因素是管線本身的剛度、集中質(zhì)量的分布以及小徑管連接處的焊接結(jié)構(gòu)、焊接質(zhì)量，如果這些因素在設(shè)計(jì)和施工中加以控制，同時(shí)在機(jī)組調(diào)試期間重視支管開(kāi)口、閥門泄漏、節(jié)流孔板等引起的流場(chǎng)不連續(xù)或者聲共振等特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線高頻振動(dòng)并予以處理，可大大減少小徑管在役階段振動(dòng)疲勞失效的可能。

表2 某核電機(jī)組高風(fēng)險(xiǎn)小徑管振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

從我國(guó)核電多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和美國(guó)核能行業(yè)關(guān)注度分析，小徑管振動(dòng)管理非常必要。本文介紹了目前核電廠小徑管振動(dòng)測(cè)量評(píng)價(jià)方法，分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)，通過(guò)某核電機(jī)組小徑管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和分析，闡述了小徑管振動(dòng)疲勞管理要素。