某1 000 MW機組主蒸汽-高旁管道振動測試及分析

摘 要：針對某1 000 MW火電機組的主蒸汽-高旁管道振動問題，采用三向振動傳感器對高旁管道、主蒸汽管道及附屬支吊架根部、格柵板、格柵板支撐鋼梁結構進行詳細的現(xiàn)場測試，并對測試信號進行時域及頻域分析。結果顯示，整個系統(tǒng)的振動頻率一致，最大振動區(qū)域位于高旁閥附近管段，從而明確振源并推導出清晰的振動傳導鏈，同時發(fā)現(xiàn)該管道振動特有的頻率特征，完全有別于常規(guī)汽水管道的寬頻振動情況，為后續(xù)振動處理指明方向。

關鍵詞：振動;高旁管道;主蒸汽管道;頻率;格柵板

中圖分類號：TM621.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0072-05

Abstract： Aiming at the vibration problem of the main steam-high pressure bypass pipeline of a 1 000 MW thermal power unit， a three-way vibration sensor was used to conduct detailed on-site testing of the high pressure bypass pipeline， the root of the main steam pipeline and its auxiliary supports and hangers， the grid plate， and the grid plate supported steel beam structure. The test signals were analyzed in the time domain and frequency domain. The results showed that the vibration frequency of the entire system was consistent， and the maximum vibration area was located in the pipe section near the high pressure bypass valve， thus clarifying the vibration source and deriving a clear vibration conduction chain. At the same time， it was found that the unique frequency characteristics of the pipe vibration were completely different from the broadband vibration of conventional steam-water pipes， pointing out the direction for subsequent vibration treatment.

Keywords： vibration; high-pressure bypass pipe; main steam pipe; frequency; grid plate

高溫汽水管道是火電廠汽水流程的重要組成部分，具有高溫、高壓的惡劣運行工況，是火電廠核心金屬部件之一，與機組的安全穩(wěn)定運行息息相關，也是金屬監(jiān)督工作的重點內(nèi)容之一。由于高溫汽水管道設計時有一定的柔性要求（滿足管道自身的熱膨脹需求）[1]，造成高溫汽水管道一般剛性較弱，加之管內(nèi)高溫汽水介質(zhì)流動狀態(tài)的不穩(wěn)定性，使得火電廠高溫汽水管道或多或少地存在一定的振動狀況[2-5]。管道振動帶來的動應力對結構持久性安全有著惡劣影響，管道異常振動通常導致管道及連接部件的疲勞破壞，強烈的管道振動則往往引起泄漏，甚至由于管道破裂可能引起爆炸等惡性事故，對設備甚至對人員生命造成嚴重損失，現(xiàn)實過程中因管道振動導致的開裂、泄漏、爆炸等失效故障更是不勝枚舉，因而對火電廠高溫汽水管道現(xiàn)場振動情況進行測試分析，對評估管道振動危害以及進一步消除管道振動故障具有重要的現(xiàn)實意義。

管道振動的原因有多種，根據(jù)振源（激振力）分類，大體可以分為設備傳導振動、管內(nèi)介質(zhì)傳導引起的流固耦合振動、安全閥排汽引起的振動、風力引起的振動和地震引起的振動[6]。其中安全閥排汽引起的振動、風力引起的振動、地震引起的振動一般都是非持續(xù)性振動，只是在特定時間、特點工況下的振動響應。由于火電廠管道內(nèi)汽水介質(zhì)運行狀態(tài)的復雜性，管內(nèi)介質(zhì)傳導引起的流固耦合振動往往是導致管道振動的主要原因。根據(jù)流體激振類型的不同，又可以分為流體運行壓力波動引起的振動、汽蝕引起的振動、汽液兩相流引起的振動、高速流引起的振動和流動瞬變引起的沖擊振動等。

目前，火電行業(yè)汽水管道振動案例眾多，管道振動治理多采用現(xiàn)場振動測量并結合現(xiàn)行振動標準進行振動評判，利用模態(tài)分析、管道靜力校核計算簡要分析管道受力情況，最后憑經(jīng)驗感覺，通過去增設限位裝置、阻尼器等裝置提高管道剛度，用以改善管道振動現(xiàn)象。所有對管道振動開展詳細的測試并分析是治理管道振動的第一步，也是最重要的一步。

1 現(xiàn)場故障介紹

某1 000 MW二次再熱機組于2018年12月投產(chǎn)，鍋爐采用單爐膛塔式布置，機組布置有左右2路高壓主蒸汽管道，每路主汽管道在鍋爐標高69 m水平管段上設置2組高旁分支三通（三通中心間距3 m），在三通上方1.5 m左右布置高旁閥，高旁閥后的2路高旁管道合為一路后連通至一次再熱冷段管道，單臺機組共有4組高旁閥，主要振動區(qū)域管道如圖1所示。自機組投運以來，高旁閥附近的主汽、高旁管道一直存在明顯的高頻低幅振動，并伴有較強噪聲。現(xiàn)場初步感覺管道振動通過吊架傳導至鍋爐鋼框架結構上，進一步傳導至鋼制格柵板上，引起鋼制格柵板的振動，人員站立在鋼制格柵板上時，觸感非常顯著、腳底“發(fā)麻”，尤其是鍋爐11層爐前走廊格柵板平臺。

主蒸汽管道：設計壓力35.01 MPa、設計溫度610 ℃，主管規(guī)格ID305 mm×100 mm、材質(zhì)A335P92。

一次冷段管道：設計壓力12.83 MPa、設計溫度448 ℃，主管規(guī)格ID914 mm×57 mm、材質(zhì)A335P22。

高旁管道（高旁閥前）：設計壓力35.01 MPa、設計溫度610 ℃，規(guī)格ID222 mm×75 mm、材質(zhì)A335P92。

高旁管道（高旁閥后）：設計壓力12.83 MPa、設計溫度448 ℃，規(guī)格OD508 mm×35 mm（支管）/ OD711 mm×50 mm（主管）、材質(zhì)A335P91。

2 現(xiàn)場振動測試

為探究管道振動原因，對該振動機組高旁管道、主蒸汽管道及附屬支吊架根部、格柵板、格柵板支撐鋼梁結構的振動情況進行了現(xiàn)場測試，測點布置如圖2所示，X向由固定端指向擴建端，Y向由汽機指向鍋爐，Z向垂直向上。管道測點編號見表1，分左右兩側依次編號命名。現(xiàn)場測試時，傳感器布置在支吊架管夾上。

常規(guī)振動測試系統(tǒng)主要由傳感器，配套的濾波器、放大器、采集儀、數(shù)據(jù)采集存儲及分析終端等設備組成，本次測試采用美國CI公司的CoCo80X便攜式動態(tài)信號測試與分析系統(tǒng)，傳感器采用PCB壓電式ICP加速度計（SN：LW263380），采樣率4 kHz。相關參數(shù)見表2。

在機組滿負荷運行時對該振動機組高旁管道、主蒸汽管道及附屬支吊架根部、格柵板、格柵板支撐鋼梁結構進行振動測試，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，管道振動測試時測點傳感器布置在支吊架管夾部位，基本可以反映所在管道的振動情況。

3 測試數(shù)據(jù)分析

主管道、高旁閥、鋼結構和格柵板振動測試頻域曲線均顯示主要振動頻率為102 Hz，管道振動部分測點中還有一些10 Hz以內(nèi)的低頻成分、個別測點還有一些102 Hz的倍頻成分，不過主要振動頻率基本都是102 Hz，其余頻率成分占比都不大。表3給出了部分測點的頻域曲線圖，據(jù)此推斷現(xiàn)場振動是由同一激振源產(chǎn)生的振動不斷傳導所致，該振源的激振頻率在102 Hz左右。

下面對振動測試結果按照管道（管部）、吊架根部、格柵板支撐鋼梁及格柵板進行分類整理和分析，從而方便分析振動的能量分布和傳遞路徑。

圖3和圖4分別給出了爐左、右兩側主蒸汽及高旁管道管部的振動情況。從圖3可以看出，爐左側管道整體上在左08至左11測點位置振動明顯比其他位置高，且X、Y、Z 3個方向振動幅值相當，也即#1、#2高旁閥附近振動更為顯著。從圖4可以看出，爐5a9274ed1e6af75f12aa55fdb97732e1右側管道整體上在右04、右07及右11—15位置振動較其他位置明顯且Z方向的振動幅值明顯高于其他2個方向，右04和右11—15位置均為高旁閥附近，右07位于爐右側主蒸汽管道立管上。總體上看，高旁閥附近管段的管道振動強于其他管段區(qū)域。

圖5和圖6分別給出了爐左、右兩側主蒸汽及高旁管道支吊架根部振動情況。從中可以看出左12測點、右14測點的支吊架根部振動明顯強于其他測點，X和Y方向的振動強于Z向，上述測點位置也都是位于高旁閥附近管段。由于無法抵近所有測點進行測量，統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對較少，但整體上支吊架根部振動大的位置與管部振動情況對應，均出現(xiàn)在高旁閥附近。

圖7給出了11層格柵板支撐鋼結構的振動測量結果，圖8給出了11層格柵板振動測量結果。從圖中可以看出，格柵板振動程度顯著強于支撐鋼結構，且格柵板的Z向振動程度強于X、Y向。格柵板的振動與支撐鋼梁的振動呈現(xiàn)正相關關系，支撐鋼梁振動越大、格柵板振動越明顯，振動劇烈的區(qū)域主要是電梯側主管道吊架附近、#3高旁閥下游吊架附近、#2號高旁閥下游吊架附近。這些位置也是支吊架的吊點所在位置。

從對管道（管部）、支吊架根部、格柵板支撐鋼梁及格柵板的振動分析結果可以看出，該振動主要集中在爐左、右兩側高旁閥所在管段、支吊架，以及支吊架的生根鋼梁和對應鋼梁的格柵板上。根據(jù)現(xiàn)場情況，除了管道沒有其他可以產(chǎn)生引發(fā)振動的振源，該振動大概率是從高旁閥所在管段內(nèi)產(chǎn)生，沿著管道、支吊架、鋼梁及格柵板進行傳導并耗散，整個振動傳導鏈如圖9所示。

4 結束語

針對某1 000 MW塔式爐火電機組的主蒸汽-高旁管道振動問題，現(xiàn)場開展了詳細的振動測試工作，結合振動測試結果的時域及頻域分析結果，初步推斷出了振源位于高旁閥所在管段區(qū)域，并給出了振動傳導鏈，為后續(xù)振動處理指明了方向。與此同時，該管道振動的頻域曲線還呈現(xiàn)出特有的單波峰特征，表現(xiàn)為單一特征頻率振動，且該振動頻率較高，并不是管道的低階固有頻率，有別于常規(guī)汽水管道的寬頻振動情況，在此初步推測該管道振動的原因為聲流耦合共振[7]，后續(xù)還將進一步分析研究。

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第一作者簡介：趙繼超（1979-），男，工程師，火電廠維護部主任。研究方向為電廠設備檢修及維護。