紅四泵站管道震動(dòng)原因分析及解決措施探析

李國(guó)強(qiáng)

（寧夏回族自治區(qū)紅寺堡揚(yáng)水管理處紅四泵站，寧夏 中衛(wèi) 755000）

1 泵站在未改造前的基本情況概述

未改造情況：紅四泵站出水爬坡管道為1400mm鋼制管道，自2017年泵站改造以來(lái)管道一直存在振動(dòng)，振動(dòng)最大位移1#管道370μm、2#管道200μm、3#管道760μm。

2 泵站改造基本情況概述

（1）今年四月份在原1#、2#鎮(zhèn)墩之間加筑兩座鎮(zhèn)墩 ，后管坑6#出水管道加筑一座鎮(zhèn)墩；現(xiàn)春灌運(yùn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)管道振動(dòng)有明顯減弱，但未徹底解決或消除。

（2）泵房?jī)?nèi)情況原設(shè)計(jì)、安裝改造：1#、2#機(jī)組廠內(nèi)出水管高度在原安裝高度抬高150mm,漸變管與伸縮節(jié)法蘭連接長(zhǎng)度改造為1400mm(原長(zhǎng)度2600mm)，出水電動(dòng)閥后管道改造為2700mm（原長(zhǎng)度1400mm）。改造后水流流態(tài)有所改變，振動(dòng)有所減小。

（3）在2#管道1#鎮(zhèn)墩人井處增設(shè)1個(gè)上海冠龍排氣補(bǔ)氣閥。伸縮節(jié)處拆開維修后校正將鋼管抬升3-5CM 。抬升后的支墩重新澆筑。開機(jī)后1#管路振動(dòng)明顯減小，但隨著時(shí)間后推及水泵頻率、流量等因素變化后期振動(dòng)明顯增強(qiáng)。

3 分析泵站出水管路振動(dòng)大的原因

（1）進(jìn)水池可能存在問(wèn)題。如果進(jìn)水池水流太紊亂，會(huì)造成水泵進(jìn)水脈動(dòng)，或進(jìn)水池淹沒(méi)深度不夠，會(huì)產(chǎn)生進(jìn)氣渦，這樣的進(jìn)水條件通常會(huì)引起水泵振動(dòng)問(wèn)題。

（2）水泵可能存在嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。水泵嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，從而也會(huì)引起出水管路振動(dòng)。但紅四泵站在分析報(bào)告中基本上沒(méi)有提及泵本身的振動(dòng)情況，描述管路出現(xiàn)振動(dòng)大時(shí)也沒(méi)有清楚的描述水泵運(yùn)行工況。

（3）水泵啟動(dòng)方式可能存在問(wèn)題。紅四泵站分析報(bào)告中提到“在空管路開啟出水蝶閥時(shí)會(huì)伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)（出水管路內(nèi)充滿水后振動(dòng)消除）”?？展艿绬?dòng)是不允許的操作模式，水泵啟動(dòng)前應(yīng)該提前開啟蝶閥5-10度對(duì)管道充水，管道充滿水后蝶閥全關(guān)，才能啟動(dòng)水泵，開啟出水閥。

（4）泵出水口存在“漸變管低頭”問(wèn)題，可能會(huì)引起后續(xù)出水管路振動(dòng)。“漸變管低頭”的問(wèn)題在紅四泵站報(bào)告中已作為重點(diǎn)予以關(guān)注，也是試驗(yàn)性改造的重點(diǎn)內(nèi)容，也取得了一定的效果。

（5）出水管出口加裝自由拍門也有可能引起管路振動(dòng)。由于管道出口水流的渦動(dòng)和脈動(dòng)，拍門會(huì)產(chǎn)生開合動(dòng)作，同時(shí)造成管內(nèi)壓力震蕩，此因素誘發(fā)出水管道共振也是有可能的。

4 泵站管道振動(dòng)問(wèn)題分析及解決措施

（1）壓力鋼管過(guò)長(zhǎng)造成在運(yùn)行過(guò)程由于液體沖擊造成鋼管擺動(dòng)浮動(dòng)增到（2019年未改造前壓力鋼管長(zhǎng)度為250米，中間沒(méi)有鎮(zhèn)墩）經(jīng)過(guò)此次改造后壓力管道振幅明顯減小，具體數(shù)據(jù)如下圖。

圖1 改造后壓壓力管振幅大小對(duì)比

（2）遇到彎管頭、異徑管、控制閥等管道元件時(shí)，導(dǎo)致水的流態(tài)混亂造成管道內(nèi)壓力變化對(duì)管壁等造成沖擊至管道震動(dòng)。

圖2 管道鋪設(shè)過(guò)程

（3）氣柱固有頻率就及液體頻率、機(jī)械固有頻率等疊加造成共振，導(dǎo)致壓力管道振動(dòng)。

（4）在提升過(guò)程中升過(guò)程中動(dòng)能與勢(shì)能之間相互轉(zhuǎn)換導(dǎo)致管內(nèi)壓力發(fā)生變化造成振動(dòng)（0#鎮(zhèn)墩與1#鎮(zhèn)墩之間存在一個(gè)明顯提升過(guò)程，但1#鎮(zhèn)墩與2#真墩之間提升幅度減小存在動(dòng)能與勢(shì)能之間轉(zhuǎn)換的一個(gè)過(guò)程，且在轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)處明顯存在彎管，導(dǎo)致壓力與流態(tài)激發(fā)生變化）。

圖3 壓力與流態(tài)發(fā)生的變化

圖4 壓力管道無(wú)法釋放造成的裂隙

（5）壓力管道沒(méi)有和支墩之間切合導(dǎo)致部分能量無(wú)法釋放造成振動(dòng)。

（6）管道內(nèi)流體流速過(guò)快，形成湍流引起振動(dòng)。

水泵額定流量為1.65方/S.而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中水泵的輸出流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定流量導(dǎo)致管內(nèi)流速大。

水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為71.6m，而實(shí)際工作揚(yáng)程為62.79m，導(dǎo)致管里水流速度加大對(duì)壓力管道造成震動(dòng)。

（7）水泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中吸入空氣或在管道內(nèi)水流彎管等造成水頭混亂產(chǎn)生氣泡在壓力鋼管內(nèi)產(chǎn)生爆破對(duì)壓力管道產(chǎn)生汽蝕造成振動(dòng)。

（8）水泵隨著流量，頻率變化振動(dòng)幅度變化對(duì)壓力管道造成的影響，以1#機(jī)為例可以看出。頻率低、流量大時(shí)水泵震動(dòng)相對(duì)較大，在流量接近額定流量時(shí)水泵振幅較小。

（9）解決紅四泵站管道震動(dòng)的措施。泵房?jī)?nèi)水泵與出水管不同心導(dǎo)致出水水頭方向改變，水頭流態(tài)混亂對(duì)壓力管道造成沖刷振動(dòng)。泵房?jī)?nèi)情況原設(shè)計(jì)、安裝改造：1#、2#機(jī)組廠內(nèi)出水管高度在原安裝高度抬高150mm,漸變管與伸縮節(jié)法蘭連接長(zhǎng)度改造為1400mm(原長(zhǎng)度2600mm)，出水電動(dòng)閥后管道改造為2700mm（原長(zhǎng)度1400mm）。改造后水流流態(tài)有所改變，振動(dòng)有所減小。

出水液控蝶閥與出水電動(dòng)閥之間距離過(guò)小導(dǎo)致在開機(jī)時(shí)液控閥開閥角度有0°~90°開啟過(guò)程中閥板與管道形成夾角導(dǎo)致水流方向發(fā)生變化，對(duì)電動(dòng)閥閥板造成沖擊，導(dǎo)致電動(dòng)閥振動(dòng)。隨著角度增大振動(dòng)減小，全開至90°后電動(dòng)閥振動(dòng)小。

圖5 紅四泵站管道震動(dòng)的解決措施

設(shè)備及管道出現(xiàn)一般性的震動(dòng)情況下，泵站必須安排專職人員對(duì)管道及設(shè)備進(jìn)行及時(shí)巡視，并適時(shí)測(cè)量振動(dòng)數(shù)值，以便進(jìn)行對(duì)比情況，防止出現(xiàn)因管道震動(dòng)引起系列的隱患或者缺陷。

5 管道震動(dòng)的危害

（1）對(duì)建筑物及鎮(zhèn)墩的危害。由于管道震動(dòng)強(qiáng)度和頻率的不同，會(huì)使泵房墻面建筑結(jié)構(gòu)受到破壞，鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)受到破壞，常常表現(xiàn)的現(xiàn)象有混泥土墻壁的龜裂，墻面、墻皮剝裂，混泥土結(jié)構(gòu)石塊滑動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生。

表1 管道流速度壓力管道造成的震動(dòng)對(duì)比

（2）對(duì)系統(tǒng)主設(shè)備的危害。揚(yáng)水泵站更新改造后，泵站在原有位置安裝出水蝶閥，并在出水蝶閥向出水方向安裝一部方便檢修用的檢修閥，檢修閥和金屬鋼制管道直接鏈接。長(zhǎng)期的管道震動(dòng)，如果得不到及時(shí)的釋放或者消除的話就會(huì)將其震動(dòng)傳輸之檢修閥或者主設(shè)備，從而影響主設(shè)備的機(jī)械性能、滾動(dòng)軸承高溫等，甚至出現(xiàn)閥板長(zhǎng)期抖動(dòng)的現(xiàn)象等。

（3）管道震動(dòng)對(duì)管道焊縫危害。泵站更新改造后，部分管道采用鋼制管道，且管道之間連接全部用焊接方式連接，長(zhǎng)期的管道振動(dòng)會(huì)對(duì)管道焊縫產(chǎn)生很大的影響，使得焊接疲勞，嚴(yán)重可導(dǎo)致焊縫開裂，管道斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。