核電廠堿計(jì)量泵出口管道振動(dòng)分析及治理

王樹升，付江永

（山東核電有限公司，山東煙臺 265116）

0 引言

管道振動(dòng)問題是電力行業(yè)長期存在的常見問題，管道振動(dòng)可以加速材料的疲勞損壞，縮短材料的使用壽命，造成支吊架失效、疏水管斷裂。管道振動(dòng)可以損壞管道閥門，閥頭振動(dòng)速度高于管道振動(dòng)速度，容易振松閥門元件，導(dǎo)致失控或泄漏，造成系統(tǒng)停機(jī)，損壞管道上的測量表管、儀表等設(shè)備，導(dǎo)致控制系統(tǒng)失靈。

某核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)堿計(jì)量泵出口管道振動(dòng)大，振動(dòng)問題可能造成管道系統(tǒng)的破壞，使管道系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，甚至可能導(dǎo)致強(qiáng)堿泄漏，引發(fā)安全事故。經(jīng)過振動(dòng)分析和診斷，判斷管道振動(dòng)大的原因?yàn)楣艿老到y(tǒng)剛度偏低，導(dǎo)流體壓力脈動(dòng)的諧振頻率與管道結(jié)構(gòu)的固有頻率接近而引發(fā)共振。通過研究管道動(dòng)態(tài)特性，在更換管道系統(tǒng)原有的彈性支撐及在管道合理位置增加支撐后，改變管道系統(tǒng)固有頻率，最終降低了管道振動(dòng)。

1 振動(dòng)測量

2017 年12 月，技術(shù)人員對凝結(jié)水精處理系統(tǒng)堿計(jì)量泵出口管道進(jìn)行振動(dòng)測量，管道系統(tǒng)振動(dòng)測量結(jié)果見表1，管道布置及振動(dòng)測點(diǎn)如圖1 所示，測量發(fā)現(xiàn)管道振動(dòng)較大，測點(diǎn)3 最大振動(dòng)值為58.1 mm/s，超過ASME 0M-PART3 要求的21.9 mm/s。

2 管道振動(dòng)原因分析及治理措施

振動(dòng)對于管道是一種交變動(dòng)載荷，其大小取決于激振力的大小和管道自身的抗振性能。從管道自身結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)振動(dòng)頻率等于或接近管道的自振頻率時(shí)，將引起共振；如果管道整體剛度小、柔性大，缺少限位約束和阻尼，即使不在激振力共振頻率區(qū)，也容易引起管道較大振動(dòng)。

管道振動(dòng)的激振力又可以分為與管道相連接的機(jī)械設(shè)備或基礎(chǔ)的振動(dòng)傳至管道的力，以及管道中流動(dòng)的介質(zhì)沖擊。對第二類振源有換向閥啟閉產(chǎn)生管內(nèi)液壓脈動(dòng)、控制運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生液壓沖擊、節(jié)流口處出現(xiàn)空穴、彎管內(nèi)流體產(chǎn)生振動(dòng)、管內(nèi)流體流速過快和液壓泵參數(shù)設(shè)計(jì)不合理等情況。處理措施主要包括4 個(gè)方面。

2.1 避免共振

用分析或試驗(yàn)方法對已設(shè)計(jì)建造好的管系識別出各階固有頻率，采取合理的支承方式和質(zhì)量分布形式。使管系的固有頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率區(qū)，以達(dá)到避免共振目的，用增大管徑也可以達(dá)到改變固有頻率，避免共振目的。

表1 堿計(jì)量泵出口管道振動(dòng)測量結(jié)果

圖1 管道布置及振動(dòng)測點(diǎn)

2.2 增加剛度及阻尼

對于建造好的管系，增大管徑、改變支承方式和質(zhì)量分布受場址或其他條件限制時(shí)，可根據(jù)工程判斷分析或測試結(jié)果。在管系適當(dāng)位置設(shè)置剛性約束，如固定支架、導(dǎo)向支架、滑動(dòng)支架或限位裝置，也可在振動(dòng)位移敏感點(diǎn)增設(shè)適當(dāng)?shù)南鹉z、塑料、軟金屬等高阻尼材料的襯墊，必要時(shí)設(shè)置減振器和阻尼器，既能限制振動(dòng)幅值，也有改善支承方式的效果。

2.3 調(diào)整介質(zhì)流動(dòng)模式

調(diào)整介質(zhì)流動(dòng)模式的主要目的是防止管內(nèi)流動(dòng)的液體對管道產(chǎn)生過大激勵(lì)，主要措施有：準(zhǔn)確選取節(jié)流減壓閥件，如疏水閥、節(jié)流閥、調(diào)節(jié)閥等，使介質(zhì)流動(dòng)順暢；延長控制閥和轉(zhuǎn)向閥的啟、閉過程，避免液壓沖擊；在管路中設(shè)置集箱、空腔緩沖器、濾波緩沖器或蓄壓緩沖器；蒸汽管道的布置要盡可能增加坡度，使疏水通暢，盡量不要出現(xiàn)U 形段，形成積水，造成水擊振動(dòng)。

2.4 降低與管系相連設(shè)備的振動(dòng)

如果與管系相連的設(shè)備振動(dòng)大，同樣會(huì)引起管道振動(dòng)。應(yīng)盡量將轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)與管道隔絕開，以使管道不受外界振動(dòng)力的激擾，并通過解決相應(yīng)設(shè)備的故障，來降低設(shè)備及與其相連管道的振動(dòng)。

對于堿計(jì)量泵出口管道，技術(shù)人員對堿計(jì)量泵本體進(jìn)行振動(dòng)測量，泵本體振動(dòng)為2.0 mm/s，振動(dòng)值較小，不足以帶動(dòng)整個(gè)管道系統(tǒng)的振動(dòng)。另外，泵出口管道系統(tǒng)中未設(shè)置閥門，不存在閥門開啟引起的沖擊等振動(dòng)源。

3 振動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜分析

技術(shù)人員利用CSI2140 振動(dòng)分析儀表對堿計(jì)量泵出口管道進(jìn)行振動(dòng)測量及頻譜分析，主要振動(dòng)分量為5.25 Hz、8.01 Hz、10.75 Hz、13.25 Hz。對堿計(jì)量泵振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，堿計(jì)量泵的主要振動(dòng)頻率為32 Hz。

堿計(jì)量泵主要振動(dòng)頻率與管道的主要振動(dòng)頻率不一致，說明管道振動(dòng)源并非來自堿計(jì)量泵。從頻譜中可以看出，管道振動(dòng)主要為低頻振動(dòng)，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于管道支承剛度偏低，管道的固有頻率偏低，并且可能沒有避開管系的低頻共振區(qū)，導(dǎo)致管道在受到流體沖擊時(shí)易產(chǎn)生過大的管道振動(dòng)。

為了進(jìn)一步獲取管道系統(tǒng)的固有頻率，技術(shù)人員對管道建模，以計(jì)算管道系統(tǒng)的固有頻率。建立模型（圖2），計(jì)算出的固有頻率見表2。

圖2 管道系統(tǒng)建模

經(jīng)建模及頻譜分析結(jié)果可以看出，引起凝結(jié)水精處理系統(tǒng)堿計(jì)量泵出口管道振動(dòng)大的原因是管道的激振頻率與管道的各階固有頻率相差較小，引起多階固有頻率的共振?？刹扇≌{(diào)整管道走向，支承位置、支承結(jié)構(gòu)及管道結(jié)構(gòu)尺寸等方法，提高管道系統(tǒng)固有頻率。通常調(diào)整或增加支承來增加管道固有頻率的方法相對容易實(shí)現(xiàn)。

為準(zhǔn)確找到改善管道系統(tǒng)固有頻率的支撐方式，技術(shù)人員對管道系統(tǒng)建模及仿真。經(jīng)仿真計(jì)算后，將管道原有彈性支撐更改為剛性支撐，并在彎管處增加剛性支撐后，管道系統(tǒng)各階固有頻率將有大幅提高。

對擬改造后管道進(jìn)行建模，計(jì)算固有頻率（表3），由分析結(jié)果可見，其固有頻率已基本避開激振頻率，可降低振動(dòng)。

措施實(shí)施后，經(jīng)振動(dòng)測量，其測量結(jié)果見表4，對振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，分析結(jié)果見圖3。由測量結(jié)果及分析結(jié)果可知，管道系統(tǒng)振動(dòng)均在ASME 0M-PART3 標(biāo)準(zhǔn)要求的保守值21.9 mm/s以下。從頻譜圖可以看出，引起管道系統(tǒng)振動(dòng)大的主要振動(dòng)頻率已消失。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)堿計(jì)量泵出口管道振動(dòng)問題得到圓滿解決。

4 結(jié)論

表2 計(jì)算出的管道系統(tǒng)固有頻率

表3 增加支撐后計(jì)算得到的管道系統(tǒng)固有頻率

表4 增加支撐后的振動(dòng)測量結(jié)果

圖3 措施實(shí)施后的管道系統(tǒng)建模

管道振動(dòng)在發(fā)電行業(yè)中屬于常見且較難治理的問題，在進(jìn)行管道振動(dòng)治理過程中，應(yīng)該詳細(xì)分析管道振動(dòng)的頻率成分，并與可能的振源進(jìn)行對比，以此查找引起管道振動(dòng)的真正原因。在進(jìn)行管道振動(dòng)治理過程中，利用模態(tài)分析軟件進(jìn)行仿真建模，可以提高管道振動(dòng)治理的有效性。本文通過對某核電廠堿計(jì)量泵出口管道振動(dòng)問題進(jìn)行分析和治理，為今后解決此類問題提供實(shí)踐參考。