火電廠高溫汽水管道振動評估及處理技術研究

中圖分類號：TM621.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0072-06

Abstract：Basedonthesignificantsafetyhazardscausedbypipelinevibrationinthermal powerplants，variouscausesof steamandwaterpipelinevibrationwerefirstsummarizedindetail，andtheimpactanalysisofpipelinedynamicstresscausedby pipelinevibrationwasintroduced.Then，basedonthebasictheoryofdynamics，commonlyusedmethodsforcontrolingsteam andwatepipelinevibrationwereintroduced，andnumerouscasesofsteamandwaterpipelinevibrationcontrolithrmalpower plantswerepresented.Finallageneralimplementationplanforvibrationcontrolofsteamandwaterpipelinesinthermalpower plants is given in detail，so provide reference for subsequent related pipeline vibration control.

Keywords： thermal power plant; steam-water pipeline; vibration; damper; dynamic stress

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，與機組的安全穩定運行息息相關，也是金屬監督工作的重點內容之一。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），造成高溫汽水管道一般剛性較弱，加之管內高溫汽水介質流動狀態的不穩定性，使得火電廠高溫汽水管道或多或少的存在一定的振動狀況。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，給設備甚至對人員生命造成嚴重損失，現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振動展開研究具有重要的現實意義。

我國電力行業有關管道振動的相關標準主要是DL/T292—2011《火力發電廠汽水管道振動控制導則》及DL/T1103—2009《核電站管道振動測試與評估》，這2個標準主要參照的是ASMEOM-S/G-2007

Part3：RequirementsforPreoperationandInitialStart-up vibration testing of Nuclear Power Plant PipingSystems（核電站管道系統試運行和初始啟動中的振動測試要求），其中對管道振動狀態及等級有了初步劃分，采用實際振動速度對管道振動情況進行評判，并對管道振動處理提出了一些原則性建議。但是標準規定比較寬泛，對實際遇到的各種結構特點的管道并不能很好的對應；且標準中管道振動允許峰值速度值的計算參數較多、選值范圍較大，對計算結果的影響明顯，評估過程中人為影響因素較大；采用最大振動速度進行管道振動評判，只能對管道振動程度進行宏觀評估，無法獲得具體的危險點及具體的危害程度。

目前火電廠汽水管道在設計時主要考慮的是材料的蠕變壽命及低周疲勞性能，目前常用的管道壽命評估方法等溫線外推法及L-M參數法，其中內壓應力是利用計算公式或有限元模擬計算所得的靜態應力，并沒有考慮管道的動態應力。管道的疲勞性能主要是考慮管道所受的交變載荷，根據汽水管道整體設計標準，認為汽水管道的交變疲勞主要是由冷熱膨脹引起的交變載荷，考慮到火電廠汽水管道在預期機組壽命內的冷熱態循環次數都比較低，因此管道設計理念就是只考慮避免低周疲勞破壞。而管道振動是典型的高周疲勞，因而管道振動對結構持久性壽命的影響應重點進行分析考慮，避免管道關鍵部位疲勞破壞。

管道振動普遍存在于火電廠各等級參數的機組中，目前也有眾多管道振動處理的案例成果，但是基本都是半經驗的處理方法，并沒有對管道振動的具體危害及處理后管道的狀態進行詳細的分析，采用何種減振措施及具體安裝位置的選擇上也是多根據操作者的個人經驗，并沒有給出詳細的理論數據依據。這就會造成振動處理經驗難以推廣，電廠的振動處理效果心里沒底，有時甚至造成經過減振處理后，管道破壞情況更為惡劣。

1火電廠汽水管道振動情況

管道振動的原因有多種，根據振源（激振力）分類，大體可以分為設備傳導振動、管內介質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、地震引起的振動[1]。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性振動，只是在特定時間、特定工況下的振動響應。

設備傳導振動是一種固體傳導振動，一般以管道端口的旋轉設備或其他剛度更大的管道為激振源，火電廠現場的主要大管道或多或少的都會存在一定的振動情況，當這些大管道振動時，也就會將振動傳導至其所連接的一些小管道上，有時會導致小管道的劇烈振動反應。

由于火電廠管道內汽水介質運行狀態的復雜性，管內介質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。火電廠管道振動分類如圖1所示。

流體運行壓力波動引起的振動：流體壓力波動一般是管道進出端流量/流速不均造成的。如鍋爐燃燒不均、往復式泵或壓縮機的特殊運行方式等，均會造成管內流體壓力波動，這種波動又可以分為周期性的壓力脈動和非周期性的隨機壓力波動。如果波動力的頻率與結構固有頻率合拍，便有共振的可能，

汽蝕引起的振動：由于閥門等節流元件的縮流作用，流經閥門的流體的流速將增加，根據伯努利定律，靜壓力將降低。當閥后靜壓力低于當前溫度下流體的飽和蒸汽壓時，將發生汽化現象，當閥后恢復靜壓力大于飽和蒸汽壓時，汽化產生的氣泡流經閥后將可能受壓潰滅，氣泡的產生和潰滅直接導致管道流體狀態不穩定（包括流速和壓力劇烈變化），將會導致管道振動發生。

汽液兩相流引起的振動：由于工藝流程或者流體在運行過程中產生相變導致管內產生兩相流體，管道內壁處在汽液兩相流體的紊流層時便會引發管道振動。對于高溫蒸汽管道，兩相流的存在還會導致液態水的快速汽化，造成管道壓力迅速升高，導致管道劇烈振動，如水擊故障等。

高速流引起的振動：當急速增加的流體流速在經過減壓閥、安全閥或者噴嘴等節流元件而達到一種臨界狀態的時候，會出現強烈的振動以及噪聲等不穩定的流動現象。

流動瞬變引起的沖擊振動：當管道內流體量由于管系閥門的瞬間啟閉或者是高低溫流體急速穿過管道而引起管道內相當大的高壓或負壓時，所產生的強大的壓力波迅速地傳播開來，導致管道內由于產生很大的沖擊力而發生的強力振動的現象在流體力學中被稱為\"水錘\"或\"汽錘”。

2汽水管道動態分析及動應力研究

管道動態研究在石化輸油管道中較多，對于火電廣汽水管道，張仲強在《核電廠小支管的振動損傷數值模擬分析》2一文中對小支管受迫振動展開了研究，建立了基于固有頻率的小支管裂紋損傷識別方法，選取某核電廠中一段事故多發的小支管，利用有限元軟件ABAQUS分析了不同約束形式下管段在受損前后的固有頻率變化特點。研究發現固有頻率變化率隨裂紋位置的變化變為一條正常的震蕩曲線，固有頻率數值隨裂紋深度的增大而增大。通過對含裂紋小支管彈簧鉸模型在振動過程中的動響應變化特性進行分析，發現激振力、外激勵頻率、各階模態值對小支管振動疲勞壽命有顯著影響，其共振疲勞壽命最短，同時推導得到了小支管受迫振動時的疲勞裂紋擴展量公式。趙星海等在《火電廠主蒸汽管道動應力的數值分析》[3《火電廠高溫高壓汽水管道動應力分析及優化》2篇文章中對火電廠主蒸汽管道在水擊及汽錘載荷作用下的動應力進行了計算，結果表明汽錘動載荷產生的動應力遠遠大于管道的靜應力。

針對火電廠汽水管道振動分析時，絕大多數都只是進行了模態分析，完全開展整個管系的瞬態動力學分析的很少。

3管道振動治理基本理論分析

動力學基本理論，通用方程為

[M]{u^′′}+[C]{u^′}+[K]{u}={F（t）}，

式中： {u} 為位移向量； [M] 為質量矩陣； [C] 為阻尼矩陣；[K] 為剛度矩陣; F（t） 為與時間相關的外載。對于現行問題， [M]，[C]，[K] 均與 {u} 及其時間的導數無關。

將式（1）變換為

并假定 ，則式（2）可以寫成

式中： ω 為自振圓頻率， rad/s ，用公式表述為 ω=2πf;ζ 為阻尼比，阻尼比是無單位量綱，實際表征了結構實際阻尼系數與臨界阻尼系數的比值，也能夠反應結構在受激振后振動的衰減形式： ① 阻尼比 ζ=0 ，表示為無阻尼振動，振幅不衰減； ② 阻尼比 0lt;ζlt;1 ，表示欠阻尼振動，振幅逐漸衰減，也就是恢復到平衡狀態的時間超過一個周期； ③ 阻尼比 ζ=1 ，表示臨界阻尼振動，振動到一個周期，振幅剛好衰減到零，也就是恢復到平衡狀態的時間剛好為一個周期; ④ 阻尼比 5gt;1 ，表示過阻尼振動，因為過阻尼的時候阻尼力比臨界阻尼時候大，趨于平衡狀態的時候總的恢復力小，自然表現出來的就是衰減比臨界阻尼的要慢。選取典型阻尼比與振動衰減的關系曲線如圖2所示。

火電廠高溫汽水管道因需滿足熱膨脹的要求，管道設計時均有柔性要求，因而管道自振頻率一般較低，最低基本都在 1Hz 左右。因而在外次振蕩激振載荷的作用下，容易發生振動情況。采用有限元方法可以進行瞬態動力學仿真分析，計算得到某管道在內壓載荷變化的情況下某管道的振動位移情況如圖3所示。

目前處理振動問題的基本思路及通用過程都是從質量矩陣 [M] 、阻尼矩陣 [C] 、剛度矩陣 [K] 、及激振力F（t） 出發。

消減激振力：消減管系的激擾力，是可以從根本上解決管道振動問題，不過很多情況下，由于工藝或改造成本，激振力往往是無法完全消除的。某些情況下通過優化運行參數或閥門結構等，改變流體介質壓力、流速、溫度等狀態參數，消除或降低流體激振力。

改變質量矩陣：優化管道質量矩陣，只能改變管道布置型式，改造成本往往較高，這在火電廠管道振動治理的實際案例中應用較少。

優化剛度矩陣：提高管系結構的剛度，不僅可以提高管系的固有頻率，使之2、3倍于激振頻率，減小管系對于激勵源的振動響應；而且可以有效地減小管系的振幅值。管道系統的固有特性與其剛度有直接關系，剛度越大，其固有頻率越高，管道系統固有頻率的調整可以通過調整系統的剛度來完成。通過調整管道系統的固有頻率來避開激擾力的頻率，從而避開管道的共振。影響管道系統剛度的因素主要有管道走向、管徑、壁厚和管道支撐狀況等，減少彎頭的個數、增大管徑和壁厚、增設支架都能夠使管道系統的剛度增大。然而在大多數情況下，由于管徑和壁厚不容易改變，因而主要是通過調整管道走向和管道支撐，而這兩者中更常用的是通過有針對性增設限位支架、剛性支架等裝置，對現役電廠的管系振動治理。首先應該宏觀查看振動的位置和方向，然后計算管系的各階頻率和陣型。將宏觀查看的結果與計算結果作對比分析，若觀察的振幅方向與某階陣型相同，則有可能在此階模態發生共振。提高管道剛度一般能夠有效避免低頻激勵載荷作用下的管道振動響應，但是提高管道剛度也會影響管道熱膨脹，從而提高管道二次應力，在實際使用過程中應該經過詳細核算。

改變阻尼矩陣：通過計算分析在特定位置加裝阻尼器，有效耗散沖擊振動的能量，達到消減振動的目的。從能量轉化的觀點看，減振器是利用各種形式的阻尼耗散管道的振動能量，從而降低振動量值，減少結構的動力響應。

增加管系結構的阻尼效果能更好地防止管系結構因為共振遭到損壞。以單自由度強迫振動為例，圖4為振系在正弦型周期性（簡諧載荷）擾力作用下，結構響應放大率 η 與頻率比 γ 在不同的振系阻尼比 ζ 下的關系曲線。其中：放大率 η= 強迫振動的振幅/零頻率擾度;頻率比 γ= 激擾頻率 ω/ 振系的固有頻率 ω_n ；阻尼比 ζ= 振系的阻尼系數 C/ 臨界阻尼系數 C_0°

從圖4關系曲線可以看出：頻率比 γ 越接近共振點（即 γ=1 ），振系中加入阻尼越能有效地防正共振；相反，當頻率比 γ 遠離共振點時，加入阻尼反而對減小振幅沒有那么明顯。

阻尼比的主要影響因素包括：材料阻尼、周圍介質對振動的阻尼、節點/支座聯接處的阻尼、支座基礎散失的一部分能量。對于工程結構，材料阻尼是能量耗散的主要原因。

在實際工程中，一般認為管道結構固有頻率中某階頻率處于動力設備激勵力頻率的共振范圍為（ 0.8～ 1.2）f ，在此范圍內就會發生氣柱共振或機械共振，使管道產生劇烈振動。

下面通過計算得出黏性阻尼每周期消耗的能量。假定結構在簡諧力： F（Φ_t）=F₀sinωt 的強迫作用下，其結構的穩態響應為 u（t）=u₀sin（ωt-φ） ，則振動速度為 ωu₀cos（ωt-φ） ，對應的黏性阻尼力為 ，于是可得黏性阻尼力在一個周期內耗散的能量為

式中： c 為阻尼系數， ω 為結構響應頻率， u₀ 為最大振動位移（振幅）。

由公式（4）計算可知，通過對振動系統增加額外的阻尼能夠耗散機械振動能量，可以有效地抑制振動系統的位移和速度，最終實現阻尼減振的目的。

4相關案例介紹

2004年，東南大學振動中心牽頭負責某電廠300MW機組高加疏水管道振動治理，通過模態分析、應力計算，增設限位裝置、阻尼器，管道振動得以緩解。

2004年，下關發電廠， 300MW 機組，主給水管道振動，通過應力計算、模態分析，增加了限位裝置，管道振動得以緩解。

2008年，神華河北國華滄東發電有限責任公司，600MW機組，過熱器減溫水管道振動，通過振動測試，應力計算，增設阻尼器、限位裝置，增大管道剛度，緩解管道振動。

2010年，浙江國華寧海電廠，600MW機組，鍋爐主給水管道振動，危及管道、設備安全，采用支吊架狀態檢查，振動測量，模態分析與三維建模應力分析后，加設液壓阻尼器、限位拉桿，管道振動改善。

2010年，大亞灣核電運營管理有限責任公司，高溫疏水立式泵及其所屬管道振動，通過應力分析計算，增設剛性吊架，增大管道剛度，振動情況得以改善。

2011年，陜西國華錦界能源有限責任公司，600MW機組，凝結水再循環管道振動，采用支吊架狀態檢查，增加限位導向支架，消除了管道振動。

2011年，山西省河津市河津發電廠，330MW機組，主蒸汽管道振動，通過振動數據測量，應力分析計算，增設限位裝置，管道振動得以改善。

2012年，華能銅川照金煤電有限公司，600MW機組，高旁閥反饋板根部數次斷裂，通過調節氣動放大器流量限流器開度、定位器輸出氣體流速，處理后高旁閥運行穩定，振動消失。

2012年，天津國投津能發電有限公司，1000MW機組，凝結水再循環管道振動，危及管道、設備安全，采用模態分析與三維建模應力分析后，調整了失效支吊架，增加了限位支架、限位拉桿，管道大幅振動消除

2012年，東北電力大學能源與動力工程學院負責某600MW電廠主給水管道振動處理，管道振動幅度大，危及管道、支吊架及設備的安全運行，采用應力分析及模態分析，加裝限位裝置、阻尼器，管道振動得以改善。

2012年，寧夏京能寧東發電有限責任公司，600MW機組，高壓給水管道振動，保溫損壞，支架松動，采用增設限位裝置，應力復核后，管道振動得以改善。

2015年，江西大唐國際撫州發電有限責任公司，1000WM機組，高旁閥及附近管道振動，伴有尖銳噪音，采用加長閥進出口直管段長度，增加固定裝置、阻尼器，優化閥第二、三級減壓器結構，改善了振動及噪聲問題。

2016年，華電重工股份有限公司與華北電力大學機械工程系聯合對某電廠2號機組給水再循環管道振動現象進行分析解決，通過模態分析，應力計算，增設限位裝置，管道振動得以改善。

2016年，淮浙煤電有限責任公司鳳臺發電分公司，600MW機組，高壓旁路減壓閥振動，噪聲高，內漏嚴重，溫度、壓力測點焊口振裂，通過改造高旁減壓閥（3級改為5級）來提高噴嘴臨界壓比系數，解決了振動大，噪聲高，內漏的問題

2017年，秦皇島發電有限責任公司，300MW機組，高壓導管疏水管振動，接管座根部斷裂，振動數據測量，模態分析后，經過管道加固，加設汽水管道阻尼器，消除了振動，解決了管道與接管座斷裂問題。

2018年，華能營口熱電有限責任公司，330MW機組，閉式冷卻水泵及出口管道振動，采用加固管道支撐及懸吊方案，管道振動得以改善。

2018年，深圳媽灣電力有限公司，320MW機組，再熱蒸汽熱段管道振動，采用模態分析，應力計算，增加限位裝置，提高管道剛度，管道振動得以改善。

2018年，福建福清核電有限公司，高壓加熱器至除氧器管道疏水管，振動明顯，采用模態分析，應力計算，加固原有限位槽鋼，并增設限位裝置，管道振動得以改善。

2020年，西安熱工研究院有限公司負責的陜西國華錦界能源有限責任公司， 600MW 機組，前置泵入口管道振動，通過支吊架狀態檢查，模態分析、應力計算，增設限位裝置，管道振動得以改善。

2020年，陽江核電有限公司，主蒸汽平衡管系振動，通過管道振動數據測試，應力分析計算，模態分析，增設阻尼器，將原有彈簧吊架變更為剛性吊架，原有剛性吊架改為導向支架，增大管道剛度，管道振動得以改善。

以上案例顯示，目前火電行業汽水管道振動案例眾多，但是管道振動治理更側重使用“半經驗\"法，采用現場振動測量按照現行振動標準進行振動評判；利用模態分析、管道靜力校核計算簡要分析管道受力情況；最后憑經驗感覺，通過增設限位裝置、阻尼器等裝置提高管道剛度，用以改善管道振動現象，但對于管道受動載的影響程度，減振前后管道的動應力、疲勞壽命的對比研究均未涉及。

5火電廠汽水管道振動治理實施方案

綜合以往的相關案例，在此給出火電廠汽水管道振動治理實施方案如圖5所示。

根據振動管道的設計資料，選擇合適的方法開展管道靜力分析、模態分析及管道阻尼測試計算等，重點校核管道設計及承載是否正常，必要時還應現場進行支吊架載荷性能測試，開展模態分析及管道阻尼分析，為后續的管道振動分析及處理提供基礎數據。

采用便捷、準確、高效的手段，進行現場管道振動測試，獲得振動管道的時域圖與頻域圖，掌握各運行工況下的管道振動情況，為后續分析處理提供依據。

收集整理各工況條件下振動管道的運行參數，包括溫度、壓力、流量的實時變化曲線等，采用有限元方法開展管道瞬態動力學分析，盡量通過仿真模擬再現管道振動狀態，與管道振動測試數據相互對比驗證，以此確定影響管道振動的各變化參數。

根據管道振動測試數據與仿真分析結果，結合火電廠管道振動分類庫，針對性地查找對比，初步判斷導致管道振動的原因。

根據瞬態動力學分析所得的動應力計算結果，確定管道振動的最危險位置，再結合材料性能試驗結果、子模型詳細分析結果開展局部位置的疲勞壽命分析，并據此開展管道振動狀態評估。

根據管道振動評估結論采取不同的措施，對于評估合格的管道也應加強最危險位置的監督檢驗，并據此指導檢修。

對于評估不合格的管道，則從激振力、剛度、質量分布和阻尼參數等方面針對性地開展減振研究，重點研究耗能型黏滯液阻尼器的減振機理，開展耗能型黏滯液阻尼器應用研究。并就處理方案進行仿真分析，直至仿真分析得到合格的結果，再開展現場實施，方案實施后在機組運行狀態開展各運行工況下的振動測試，以驗證處理效果。

對加裝減振處理后的管道系統進行瞬態動力學仿真，在滿足減振要求的情況下，分析確定減振處理方案對管道運行受力的影響，并據此指導檢修、運行。

6結論

汽水管道振動在火電機組中普遍存在，振動程度不一，各廠對管道振動的態度及重視程度也不一樣，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，所以通過本文研究形成的一套汽水管道振動評估處理方法，對于火電廠的管道振動評估與處理具有一定的指導意義。

其次，目前火電廠汽水管道在設計運行過程中一般只考慮結構靜態應力，對于動應力的分析不多，尤其是針對整個管道系統的動應力分析，通過本文中考慮管內介質作用的整個振動管系瞬態動力學分析，可以建立汽水管道完整的動態分析流程及方法，為其他相關問題的分析提供參考。

最后，耗能型黏滯液阻尼器在建筑減振中有著廣泛應用，在石化、電力行業管道減振中也有應用，目前在電廠汽水管道上的使用多是半經驗方式，對具體參數及使用影響一知半解，往往采用“試一試\"的態度進行使用，本文建議明確該類阻尼器的參數選擇方法，為其他電廠該類阻尼器的使用提供指導。

參考文獻：

[1]趙軒.汽水管道振動原因分析及治理[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[2]張仲強.核電廠小支管的振動損傷數值模擬分析[D].上海：華東理工大學，2016.

[3]趙星海，翟松，劉勇，等.火電廠主蒸汽管道動應力的數值分析[J].鍋爐技術，2016，47（1）：15-17，62.

[4]趙星海，翟松.火電廠高溫高壓汽水管道動應力分析及優化[J].中國電力，2016，49（1）：33-36，43.

[5]劉明，郭延軍，何桂寬，等.火電廠汽水管道熱脹位移異常綜合評估及處理[J].理化檢驗（物理分冊），2018，54（4）：256-261，264.