紅四泵站管道震動原因分析及解決措施探析

李國強

（寧夏回族自治區紅寺堡揚水管理處紅四泵站，寧夏 中衛 755000）

1 泵站在未改造前的基本情況概述

未改造情況：紅四泵站出水爬坡管道為1400mm鋼制管道，自2017年泵站改造以來管道一直存在振動，振動最大位移1#管道370μm、2#管道200μm、3#管道760μm。

2 泵站改造基本情況概述

（1）今年四月份在原1#、2#鎮墩之間加筑兩座鎮墩 ，后管坑6#出水管道加筑一座鎮墩；現春灌運行觀測發現管道振動有明顯減弱，但未徹底解決或消除。

（2）泵房內情況原設計、安裝改造：1#、2#機組廠內出水管高度在原安裝高度抬高150mm,漸變管與伸縮節法蘭連接長度改造為1400mm(原長度2600mm)，出水電動閥后管道改造為2700mm（原長度1400mm）。改造后水流流態有所改變，振動有所減小。

（3）在2#管道1#鎮墩人井處增設1個上海冠龍排氣補氣閥。伸縮節處拆開維修后校正將鋼管抬升3-5CM 。抬升后的支墩重新澆筑。開機后1#管路振動明顯減小，但隨著時間后推及水泵頻率、流量等因素變化后期振動明顯增強。

3 分析泵站出水管路振動大的原因

（1）進水池可能存在問題。如果進水池水流太紊亂，會造成水泵進水脈動，或進水池淹沒深度不夠，會產生進氣渦，這樣的進水條件通常會引起水泵振動問題。

（2）水泵可能存在嚴重偏離設計工況運行。水泵嚴重偏離設計工況運行時，必然會產生劇烈振動，從而也會引起出水管路振動。但紅四泵站在分析報告中基本上沒有提及泵本身的振動情況，描述管路出現振動大時也沒有清楚的描述水泵運行工況。

（3）水泵啟動方式可能存在問題。紅四泵站分析報告中提到“在空管路開啟出水蝶閥時會伴有強烈的振動（出水管路內充滿水后振動消除）”。空管道啟動是不允許的操作模式，水泵啟動前應該提前開啟蝶閥5-10度對管道充水，管道充滿水后蝶閥全關，才能啟動水泵，開啟出水閥。

（4）泵出水口存在“漸變管低頭”問題，可能會引起后續出水管路振動。“漸變管低頭”的問題在紅四泵站報告中已作為重點予以關注，也是試驗性改造的重點內容，也取得了一定的效果。

（5）出水管出口加裝自由拍門也有可能引起管路振動。由于管道出口水流的渦動和脈動，拍門會產生開合動作，同時造成管內壓力震蕩，此因素誘發出水管道共振也是有可能的。

4 泵站管道振動問題分析及解決措施

（1）壓力鋼管過長造成在運行過程由于液體沖擊造成鋼管擺動浮動增到（2019年未改造前壓力鋼管長度為250米，中間沒有鎮墩）經過此次改造后壓力管道振幅明顯減小，具體數據如下圖。

圖1 改造后壓壓力管振幅大小對比

（2）遇到彎管頭、異徑管、控制閥等管道元件時，導致水的流態混亂造成管道內壓力變化對管壁等造成沖擊至管道震動。

圖2 管道鋪設過程

（3）氣柱固有頻率就及液體頻率、機械固有頻率等疊加造成共振，導致壓力管道振動。

（4）在提升過程中升過程中動能與勢能之間相互轉換導致管內壓力發生變化造成振動（0#鎮墩與1#鎮墩之間存在一個明顯提升過程，但1#鎮墩與2#真墩之間提升幅度減小存在動能與勢能之間轉換的一個過程，且在轉換節點處明顯存在彎管，導致壓力與流態激發生變化）。

圖3 壓力與流態發生的變化

圖4 壓力管道無法釋放造成的裂隙

（5）壓力管道沒有和支墩之間切合導致部分能量無法釋放造成振動。

（6）管道內流體流速過快，形成湍流引起振動。

水泵額定流量為1.65方/S.而在實際運行過程中水泵的輸出流量遠遠大于額定流量導致管內流速大。

水泵的設計揚程為71.6m，而實際工作揚程為62.79m，導致管里水流速度加大對壓力管道造成震動。

（7）水泵高速運轉過程中吸入空氣或在管道內水流彎管等造成水頭混亂產生氣泡在壓力鋼管內產生爆破對壓力管道產生汽蝕造成振動。

（8）水泵隨著流量，頻率變化振動幅度變化對壓力管道造成的影響，以1#機為例可以看出。頻率低、流量大時水泵震動相對較大，在流量接近額定流量時水泵振幅較小。

（9）解決紅四泵站管道震動的措施。泵房內水泵與出水管不同心導致出水水頭方向改變，水頭流態混亂對壓力管道造成沖刷振動。泵房內情況原設計、安裝改造：1#、2#機組廠內出水管高度在原安裝高度抬高150mm,漸變管與伸縮節法蘭連接長度改造為1400mm(原長度2600mm)，出水電動閥后管道改造為2700mm（原長度1400mm）。改造后水流流態有所改變，振動有所減小。

出水液控蝶閥與出水電動閥之間距離過小導致在開機時液控閥開閥角度有0°~90°開啟過程中閥板與管道形成夾角導致水流方向發生變化，對電動閥閥板造成沖擊，導致電動閥振動。隨著角度增大振動減小，全開至90°后電動閥振動小。

圖5 紅四泵站管道震動的解決措施

設備及管道出現一般性的震動情況下，泵站必須安排專職人員對管道及設備進行及時巡視，并適時測量振動數值，以便進行對比情況，防止出現因管道震動引起系列的隱患或者缺陷。

5 管道震動的危害

（1）對建筑物及鎮墩的危害。由于管道震動強度和頻率的不同，會使泵房墻面建筑結構受到破壞，鎮墩結構受到破壞，常常表現的現象有混泥土墻壁的龜裂，墻面、墻皮剝裂，混泥土結構石塊滑動等現象發生。

表1 管道流速度壓力管道造成的震動對比

（2）對系統主設備的危害。揚水泵站更新改造后，泵站在原有位置安裝出水蝶閥，并在出水蝶閥向出水方向安裝一部方便檢修用的檢修閥，檢修閥和金屬鋼制管道直接鏈接。長期的管道震動，如果得不到及時的釋放或者消除的話就會將其震動傳輸之檢修閥或者主設備，從而影響主設備的機械性能、滾動軸承高溫等，甚至出現閥板長期抖動的現象等。

（3）管道震動對管道焊縫危害。泵站更新改造后，部分管道采用鋼制管道，且管道之間連接全部用焊接方式連接，長期的管道振動會對管道焊縫產生很大的影響，使得焊接疲勞，嚴重可導致焊縫開裂，管道斷裂現象的發生。