300 MW機組主汽管道振動的原因分析及消除

王立慶，王 勇，盧傳貴

(1.北京大唐新源電力科技有限公司，北京100070;2.大唐哈爾濱第一熱電廠，哈爾濱150010)

某發(fā)電廠1號機組裝機容量為300 MW，于2009年投入運行后，主蒸汽管道一直存在著嚴重的大幅度振動。管道振動產(chǎn)生的強力噪音，使巡檢人員和就地操作人員產(chǎn)生緊張恐懼感、不舒適感和不安全感，分散操作人員的注意力，影響工作效率，并容易引發(fā)操作失誤、造成事故。長期大幅振動會引起管道和支吊架材料的疲勞損壞，并會影響到與管系相連的設(shè)備的安全，影響機組的安全運行［1］?？傊?，管道振動造成的危害是多方面的，應(yīng)設(shè)法降低或避免嚴重的管道振動問題。該機組主蒸汽管道的材質(zhì)為P91，管道的設(shè)計壓力17.535 MPa，管道的設(shè)計溫度545℃。管道走向如圖1所示。

為了消除管道的振動，確保機組的安全運行，對管道振動的情況進行模態(tài)分析和應(yīng)力計算，并尋求消除振動的措施。

1 振動原因分析

管道系統(tǒng)的振動一般是由機械振動、管道內(nèi)部介質(zhì)振動引起的，其中后者是管道振動的主要誘因。振動對于管道是一種交變動載荷，其危害程度取決于振幅、頻率和管道自身的抗振性能。當振動頻率等于或接近管道的自振頻率時，將引起共振［2］。經(jīng)現(xiàn)場檢查和分析，主汽管道接口設(shè)備振動均滿足設(shè)計要求，支吊架根部無明顯振動源存在。由此可以排除機械振動等外部振源引起振動的可能，所以只能從管道系統(tǒng)自身查找振動原因。管道內(nèi)部介質(zhì)振動在機組運行過程中是一個隨機組負荷變化而不斷變化的變量。主蒸汽通流量是由機組負荷決定，要想改變管道內(nèi)部介質(zhì)在管道內(nèi)的流動特性，只能通過改變管道自身規(guī)格、布置走向和管道附件等來實現(xiàn)。對于投入運行的機組來說，上述調(diào)整工作量大，需要投入大量人力物力。一般不采用此方式解決管道振動。無法改變振源特性，接下來我們只能從管系剛度、支吊結(jié)構(gòu)和阻尼效果等方面查找振動發(fā)生的原因。

圖1 主蒸汽管道立體圖

1.1 汽水管道剛度和固有頻率

汽水管道設(shè)計中由于要考慮良好的補償性能，減少管道對接口設(shè)備的推力影響，往往設(shè)計的相對較柔是較常見的問題。因此，在汽水管道的設(shè)計中除要求滿足強度條件外，還應(yīng)滿足一定的剛度條件，文獻［3］要求管道的固有頻率大于3.5 Hz。通過支吊架的合理布置，可以使管道具有較高的一階固有頻率，避開介質(zhì)的激振頻率，以免發(fā)生共振。

本文采CAESARⅡ軟件對主汽管道進行模態(tài)分析計算，模態(tài)分析可以生成計算管道的多階固有頻率:第一階固有頻率0.310 Hz第二階固有頻率0.594 Hz第三階固有頻率0.726 Hz第四階固有頻率0.948 Hz第五階固有頻率1.190 Hz。從上述計算結(jié)果可以確定，管系剛度小，固有頻率低是管道振動的原因之一。

1.2 管道支吊架工作狀態(tài)

管道安裝過程中限于現(xiàn)場條件、檢測手段和設(shè)備材料質(zhì)量等原因，管道系統(tǒng)布置無法完全滿足設(shè)計要求。往往會出現(xiàn)管道安裝過程中調(diào)較不準確，強行拆除支吊架鎖銷，致使管道出現(xiàn)明顯下沉(或上升)的現(xiàn)象。造成支吊架受力不均或失效，管系受力偏離設(shè)計值。嚴重的造成整個管系失穩(wěn)、振動。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)主汽管道部分支吊架受力明顯偏離設(shè)計值，并出現(xiàn)彈簧壓死、偏斜、失效等。具體如表1:

表1 主汽管道支吊架現(xiàn)場檢查結(jié)果

1.3 管道系統(tǒng)阻尼效果

管道系統(tǒng)采用的阻尼器主要是油阻尼器，外形為圓柱體，內(nèi)部有設(shè)有活塞，活塞上開有小孔，活塞的兩端與減振設(shè)備相連接。設(shè)備振動帶動阻尼器的活塞做軸向運動，腔體內(nèi)的阻尼液受到活塞擠壓壓力逐漸增大，液體通過活塞的小孔從缸體的一側(cè)流向另一側(cè)。兩側(cè)的壓力差為阻尼液流動的阻力，阻尼液流動過程中克服阻力做功將系統(tǒng)的振動機械能轉(zhuǎn)化為阻尼液熱能釋放出去，從而達到耗能減振的目的。

這種阻尼器優(yōu)點很多，被廣泛應(yīng)用于橋梁和建筑物的減振。由于這種阻尼器有空程對小幅振動反映不靈敏，在激振頻率為1.5 Hz，位移幅值分別為±1.2 mm，±2.8 mm時的滯回環(huán)與理論值差異大，無法達到預(yù)期的減震效果［4］。所以通常應(yīng)用在管道系統(tǒng)的地震工況和排汽工況的較大振幅吸能減震。由于阻尼器的存在增加了管道系統(tǒng)的剛度，可以有效吸收較大振幅的低頻振動能量。所以，在出現(xiàn)較大幅度振動的管道系統(tǒng)中，在振幅較大位置適當增加阻尼器，可以有效控制管道的振動幅度。

本文所述主蒸汽管道阻尼器普遍存在漏油現(xiàn)象，一定程度上降低了阻尼器的效用。對控制管道振動和管系剛度均出現(xiàn)不利影響。具體檢查結(jié)果見表1。

2 消除振動的措施

從上述分析可見，主蒸汽管道主要存在以下三種不利于振動控制的狀況，分別是管道系統(tǒng)剛度較小、管道支吊架失效和阻尼器失效。要消除該汽水管道的振動，可通過對上述三種狀況進行深入分析，采取有利措施避免上述三種狀況對管道系統(tǒng)造成影響。具體措施如下:

2.1 增加支吊架，提高管道的剛度，避免管道的共振。

管道系統(tǒng)剛度和強度是一對相互矛盾的問題，增加管道支吊架提高了管道剛度后，將對管道的熱位移產(chǎn)生約束，可能使管道端口推力和應(yīng)力增加，使其強度相應(yīng)降低，加速了管道和設(shè)備的損傷。因此，在增加管道支吊架之前，必須同時進行嚴格的模態(tài)和應(yīng)力分析計算，保證改造方案既適當提高了管道的剛度，又不大幅度增加端口推力和管道應(yīng)力。利用CAESARⅡ軟件，我們對管道熱位移進行了模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)主汽管道P26點位置X向熱位移趨近于0，增加限位支架后對管系強度和端口推力影響較小。可以在P26點位置增加X方向限位支架，來改變管道系統(tǒng)的剛度。增加限位支架后模態(tài)分析結(jié)果顯示主蒸汽管道固有頻率為:第一階固有頻率0.381 Hz第二階固有頻率0.667 Hz第三階固有頻率0.817 Hz第四階固有頻率1.127 Hz第五階固有頻率1.217 Hz，固有頻率都有明顯提高，有利于減小或消除振動。增加限位支架后的應(yīng)力分析結(jié)果(見表2)，管道應(yīng)力無明顯變化，端口推力增加不大，在允許范圍內(nèi)，本方案可行。

表2 增加P26前后最大應(yīng)力表

表3 增加P26前端點作用力和力矩表

表4 增加P26后端點作用力和力矩表

2.2 調(diào)整和恢復(fù)失效支吊架

通過現(xiàn)場觀察、測量和圖紙分析，發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道爐頂部分出現(xiàn)明顯的下沉。造成頂部(部分)支吊架出現(xiàn)冷態(tài)壓死或嚴重偏離設(shè)計值現(xiàn)象。要調(diào)整管系中支吊架，必須先調(diào)整管道位置到設(shè)計標高。方案采用爐頂起吊主蒸汽管道，同時收緊剛性吊架P6，待爐頂管道上升到設(shè)計標高后，停止起吊。然后再檢查管道支吊架，對仍然偏離設(shè)計值或失效的支吊架進行調(diào)整和更換，直到達到設(shè)計狀態(tài)。具體支吊架調(diào)整方案如表5。

表5 主蒸汽管道支吊架處理方案

2.3 檢修和更換問題阻尼器

300 MW以上機組四大管道大量采用阻尼器來提高系統(tǒng)剛度，避免管道振動是國際上通行的設(shè)計方法。對于本文所述主蒸汽管道振動幅度±3～4 mm，雖然在振幅較大區(qū)域增加阻尼器能有效減小振動，但是考慮阻尼器價格、無故障運行時間和改造復(fù)雜性等原因。確定分步實施阻尼器措施，先期恢復(fù)原有阻尼器工作狀態(tài)。如果，控制振動效果不明顯，再考慮增加特種阻尼器來消振。

3 消振效果

在該機2011年4月檢修中，對主蒸汽管道實施了上述消振措施。2011年6月機組投運，管道各支吊架熱態(tài)工作正常，管道振幅小于0.4 mm，達到預(yù)期消振效果，滿足機組安全運行需要。2012年4月該機組停機，對其進行了冷態(tài)檢查。冷態(tài)下管道系統(tǒng)各支吊架均處于良好受力狀態(tài)，無明顯偏斜等不良現(xiàn)象。本次管道調(diào)整在不改變管系布置，僅增加1個限位裝置的情況下，通過調(diào)整和恢復(fù)管道現(xiàn)有支吊架的工作狀態(tài)，圓滿完成了管道消振任務(wù)。由此可以證明，300 MW機組在不增加減振阻尼器的情況下，根據(jù)管道系統(tǒng)模態(tài)分析和應(yīng)力計算結(jié)果，對原有主蒸汽管道系統(tǒng)進行簡單調(diào)整，可以有效的消除管道振動。

［1］王鵬，曹海，于海東等.托電8號爐主蒸汽管道振動治理.華北電力技術(shù)［J］.2009(S1):4-6.

［2］鄧廣發(fā)，張超群，董強等.發(fā)電廠給水管道振動的原因分析及消除［J］.江蘇電機工程，2005，23(3):97-98.

［3］電力工業(yè)部東北電力設(shè)計院.火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定［M］.北京:中國電力出版社，1996.

［4］張恒晟，葛繼平.粘滯阻尼器在小行程條件下的力學(xué)性能試驗研究.結(jié)構(gòu)工程師［J］.2008，24(6):106-110.