核電管道振動(dòng)處理

王吉生

（中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300）

1 概述

核電機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行后，常規(guī)島部分管道存在振動(dòng)問(wèn)題。一部分管道振動(dòng)相當(dāng)大，如主蒸汽管道、蒸汽旁路管道振動(dòng)曾經(jīng)造成疏水袋上測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)、低壓給水管道振動(dòng)造成泵入口過(guò)濾器支撐斷裂，一級(jí)再熱緊急疏水管道振動(dòng)造成整根管道并連帶疏水箱一起振動(dòng)，高加緊急疏水管線水錘振動(dòng)造成支架斷裂。除此之外，高壓給水管道、中壓給水管道、蒸汽轉(zhuǎn)換新蒸汽管道、主給水旁路、二級(jí)再熱掃汽管道、凝結(jié)水管道、排污管道、部分儀表管線振動(dòng)也很大。這些管道的振動(dòng)給管道及機(jī)組的安全運(yùn)行造成了很大的威脅，為此對(duì)振動(dòng)的管道進(jìn)行全面整治，消除機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。

2 管道振動(dòng)原因

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如能將靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度、熱強(qiáng)度、疲勞與斷裂強(qiáng)度統(tǒng)一考慮，并提出一個(gè)滿足上述各項(xiàng)強(qiáng)度要求的綜合性準(zhǔn)則，則從強(qiáng)度角度看，設(shè)計(jì)將進(jìn)入一個(gè)比較理想的境界。但今天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展還不能達(dá)到這樣的要求。而現(xiàn)實(shí)中管系設(shè)計(jì)往往采用靜力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。靜力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是指在實(shí)用載荷下，結(jié)構(gòu)不得產(chǎn)生永久變形，在設(shè)計(jì)載荷下，結(jié)構(gòu)不得破壞。靜力設(shè)計(jì)往往會(huì)導(dǎo)致靜力場(chǎng)不穩(wěn)（剛度不足導(dǎo)致）和各式各樣的振動(dòng)問(wèn)題（動(dòng)態(tài)特性不良導(dǎo)致），人們又不得不在按靜力準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上，采取各種補(bǔ)救措施。

3 管道振動(dòng)危害

振動(dòng)對(duì)管道設(shè)備的危害很大，首先它容易引發(fā)管道上的測(cè)量?jī)x表、信號(hào)線失靈，閥門限位桿的偏轉(zhuǎn)，甚至能引起儀表管線、電源線脫落，造成設(shè)備誤動(dòng)，主蒸汽疏水袋振動(dòng)曾引起儀表測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)確，凝結(jié)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥閥門限位多次發(fā)生偏轉(zhuǎn)；其次它能引起支吊架斷裂，在管道劇烈振動(dòng)時(shí)，部分支架、吊架會(huì)斷裂，如果處理不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該管系上的其他支架斷裂，后果非常嚴(yán)重，高加緊急疏水管道因水錘產(chǎn)生激烈振動(dòng)，先后三次將地腳支架振裂；第三它將加速材料的疲勞損壞，大大縮短材料的使用壽命，并容易引發(fā)管道焊接處的破壞失效，尤其是現(xiàn)場(chǎng)焊接死點(diǎn)，更容易被破壞，如被埋在地下的管道等。

4 管道振動(dòng)處理方法

4.1 支吊架檢查

支吊架失效，將會(huì)降低管系的剛度，是誘發(fā)管道振動(dòng)的原因之一，同時(shí)支吊架失效將會(huì)影響管道壽命。由于調(diào)試期間我們沒(méi)有對(duì)常規(guī)支吊架進(jìn)行調(diào)整，因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)有管道振動(dòng)以后，我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的支吊架進(jìn)行了大面積的普查，共發(fā)現(xiàn)368組支吊架狀態(tài)異常，并針對(duì)其存在的問(wèn)題，分別在大修期間對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整。其存在的問(wèn)題分類如下：①?gòu)椈芍У跫艿逆i定裝置沒(méi)有拆除。為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，彈簧支吊架在出廠時(shí)都用鎖定裝置整定在冷態(tài)位置，現(xiàn)場(chǎng)安裝后應(yīng)拆除鎖定裝置，否則，將相當(dāng)于剛性支吊架，失去彈簧支吊架的作用。發(fā)現(xiàn)有10組彈簧支吊架的鎖定裝置沒(méi)有拆除，支吊架偏斜嚴(yán)重。由于支吊架的嚴(yán)重偏斜，將會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生過(guò)大的附加側(cè)向力，引起管道受力不利。在對(duì)管道支吊架狀態(tài)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有部分支吊架由于沒(méi)有偏裝或偏裝錯(cuò)誤而傾斜嚴(yán)重。發(fā)現(xiàn)有10組支吊架偏斜嚴(yán)重。②滑動(dòng)支架脫空或剛性吊架拉桿不承載。由于安裝等原因，發(fā)現(xiàn)部分滑動(dòng)支架脫空及剛性吊架拉桿松弛不承載問(wèn)題，支吊架失效。發(fā)現(xiàn)有43組支吊架存在這類問(wèn)題。

彈簧支吊架承載不合理，處于欠載或過(guò)載狀態(tài)。

4.2 消除激振源

在管道振動(dòng)中，如果能找到激振源，并對(duì)激振源以有效控制或替代，是解決管道振動(dòng)最有效的方法之一。在現(xiàn)場(chǎng)，我們發(fā)現(xiàn)了以下兩種情況：①調(diào)節(jié)閥出入口縮徑嚴(yán)重，且閥門內(nèi)部產(chǎn)生汽蝕。CEX042VL原為雙座調(diào)節(jié)閥，該閥縮徑嚴(yán)重，閥門口徑只有150mm，而管道直徑為DN300，且在解體閥門時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門內(nèi)部有汽蝕現(xiàn)象。凝結(jié)水管道振動(dòng)時(shí)我們懷疑是由該閥引起，后將CEX042VL更換為DN200口徑的套筒調(diào)節(jié)閥以后，管道振幅減小，現(xiàn)場(chǎng)高頻噪音消失。②閥門內(nèi)漏，產(chǎn)生水錘造成管道劇烈振動(dòng)。高加緊急疏水閥AHP038VL所在的高加緊急疏水管線，曾先后三次將支架振斷，現(xiàn)場(chǎng)觀察管道劇烈振動(dòng)是在水錘后產(chǎn)生。將閥門用手輪關(guān)閉后，水錘消失，管道振動(dòng)也消失。

4.3 調(diào)整管道系統(tǒng)的固有頻率避開(kāi)激振頻率

現(xiàn)場(chǎng)的管道振動(dòng)，只有一部分管道可能通過(guò)調(diào)整支吊架或控制激振源的辦法得到有效控制，大部分管道是通過(guò)調(diào)整管道系統(tǒng)的固有頻率避開(kāi)激振頻率，從而避開(kāi)共振的方法來(lái)治理管道振動(dòng)，此方法在管道振動(dòng)治理中最為常見(jiàn)。

4.3.1 增加減振點(diǎn)的位置

根據(jù)常規(guī)島測(cè)量結(jié)果，管道在哪個(gè)方向振動(dòng)不明顯，由在該方向上不考慮減振點(diǎn)的設(shè)置，如中壓給水管道只有Y方向的振動(dòng)，則只考慮在Y方向上設(shè)置減振點(diǎn)，主蒸汽管道、蒸汽旁路管道、高壓給水管道低壓給水管道只考慮在X、Y方向上增設(shè)減振點(diǎn)。減振點(diǎn)的設(shè)置除工程經(jīng)驗(yàn)外，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：①減振點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)充分考慮其生根位置，其生根位置應(yīng)是樓板、承重梁或剛度較高的平臺(tái)。同時(shí)增加的減振點(diǎn)不影響其他設(shè)備的操作、運(yùn)行和維修。②減振點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在管道系統(tǒng)剛度較小的位置，即管道振動(dòng)較大的位置，以有效增加管道系統(tǒng)剛度。③減振點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)充分考慮管道系統(tǒng)的熱態(tài)位移，以改善管道、支架的受力情況。

4.3.2 建立固態(tài)模型分析

為了解管系的振動(dòng)固有特性，為振動(dòng)治理的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，采用有限元Ansys計(jì)算軟件Piping模塊對(duì)治理前以及增加減振點(diǎn)后管道系統(tǒng)振動(dòng)固有特性進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算出振動(dòng)治理前各管系前5階固有頻率，計(jì)算分析得出引起各管道振動(dòng)的各低階振型，為減振點(diǎn)的添加提供參考指導(dǎo)，計(jì)算振動(dòng)治理后各管系前5階固有頻率，理論上檢測(cè)治理的結(jié)果。從嚴(yán)格意義上說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)表現(xiàn)應(yīng)為理論計(jì)算結(jié)果的合成，因此建立固態(tài)模型為管道振動(dòng)治理提供有效的檢測(cè)手段。

4.3.3 力學(xué)分析

為了便于工程應(yīng)用，根據(jù)力學(xué)等效性疊加原理，管道內(nèi)壓應(yīng)力和持續(xù)外載引起的應(yīng)力。

管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和，必須滿足下式的要求：

бL=pD2i/(D2o－D2i)+0.75iMA/W≤1.0[σ]t

式中p——設(shè)計(jì)壓力(MPa)；Do——管子外徑（mm）；Di——管子內(nèi)徑（mm）；MA——由于自重和其他持續(xù)外載作用在管子橫截面上的合成力矩（N·mm）；W——管子截面抗彎矩（mm3）；[σ]t——鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力(MPa)；i——應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；бL——由于內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和(MPa)。

4.3.4 管道支吊架設(shè)計(jì)計(jì)算原理

管道支吊架設(shè)計(jì)的步驟如下所述：①利用標(biāo)準(zhǔn)跨距原理來(lái)選擇支吊架位置。假設(shè)在這點(diǎn)有一個(gè)剛性Y向約束，然后進(jìn)行重量載荷分析。這種分析稱為“約束-重量”分析。在這一分析中，分布在每個(gè)約束上的重量載荷將被作為彈簧選型時(shí)的熱態(tài)載荷。②從管架位置除去約束，進(jìn)行熱膨脹分析。這種分析稱為“自由-熱態(tài)”分析。每個(gè)支架位置的熱態(tài)位移將被作為彈簧選擇時(shí)的熱位移。③利用從約束-重量計(jì)算得出的熱態(tài)載荷和自由-熱態(tài)得到的位移，對(duì)每個(gè)點(diǎn)從彈簧表中選擇一個(gè)彈簧，利用彈簧剛度來(lái)確定安裝所需冷態(tài)載荷（預(yù)置的彈簧載荷）。④通過(guò)在每個(gè)彈簧作用點(diǎn)增加一個(gè)剛度等于彈簧剛度的約束并且通過(guò)增加彈簧預(yù)置載荷（冷態(tài)載荷）作為在持續(xù)載荷工況起作用的力來(lái)調(diào)整模型以反映彈簧的存在，然后重新分析所有載荷工況以獲得彈簧真實(shí)存在時(shí)的效應(yīng)。

5 結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)，管道系統(tǒng)在振動(dòng)治理前，管道在X、Y方向上的剛度較低，管道在該方向的振動(dòng)較明顯，振動(dòng)輻度較大，振動(dòng)頻率較低。通過(guò)在管道系統(tǒng)上增加減振點(diǎn)以后，管系在該兩個(gè)方向的剛度得到明顯改善，管道振動(dòng)幅度明顯減少，機(jī)組的安全運(yùn)行得到有效的保障，達(dá)到預(yù)期的目的。振動(dòng)治理前對(duì)增加減振點(diǎn)后的管道系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力復(fù)核，管道系統(tǒng)應(yīng)力全部合格。同時(shí)證明了此種振動(dòng)治理的方法，對(duì)治理管道的低頻振動(dòng)較為有效。