核電管道振動(dòng)處理

王吉生

【摘 要】論文介紹了核電管道振動(dòng)情況，核電主要的主蒸汽管道、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，并闡述了管道振動(dòng)原因、危害及管道振動(dòng)治理的常用方法步驟。

【Abstract】The paper introduces the vibration of nuclear power pipeline. The main steam pipe and steam bypass pipe vibration in the nuclear power plant once caused the inaccurate upper measurement signal of the hydrophobic bag， and the vibration of the low pressure water supply pipe caused the fracture of the pump inlet filter. The vibration of the first grade reheat emergency drain pipe causes the whole pipe to vibrate together with the drain water tank. The water hammer vibration of the highly emergency drain line caused the fracture of the support. The causes and hazards of pipeline vibration and the common methods and steps of pipeline vibration treatment are introduced in this paper.

【關(guān)鍵詞】振動(dòng) ； 管道； 支吊架

【Keywords】 vibration； pipeline； suspension and support

【中圖分類號(hào)】TG444.74 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）09-0137-02

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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)口徑只有150mm，而管道直徑為DN300，且在解體閥門(mén)時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門(mén)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(mén)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(mén)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。