火电厂蒸汽管道振动过大分析与处理措施研究

张艳飞,王英军,陈　浩

(内蒙古电力科学研究院 金属所，内蒙 呼和浩特010020)

火电厂蒸汽管道振动过大分析与处理措施研究

张艳飞,王英军,陈浩

(内蒙古电力科学研究院 金属所，内蒙 呼和浩特010020)

摘要：结合CAESARⅡ分析结果和振动测试数据，分析锅炉冷屏管道振动的原因是管道支吊架布置不合理、管道一阶固有频率低，之后采取有效措施解决了管道振动故障。在国内首次使用CAESARⅡ谐振分析模块模拟计算了冷屏管道对蒸汽压力脉动载荷激励的位移响应，为现场快速分析管道振动频率、振幅和激振力关系提供了参考。

关键词：CAESARⅡ；管道振动；固有频率；谐振分析；压力脉动

中图分类号：TM611

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.011

收稿日期：2015-06-30。

作者简介：张艳飞(1981-)，男，高级工程师，从事无损探伤、焊接、失效分析研究工作, E-mail: ketifeifei@163.com。

Abstract：The analysis of CAESAR Ⅱ results and pipe vibration test data have proved that the causes of pipe vibration could be relevant to unreasonable arrangement of pipe hangers and the lower first-order natural frequency of pipeline. Then effective measures were taken to solve the pipeline vibration fault. It is the first time in the country that the relationship between the displacement and the vapor pressure pipe was simulated with CAESARⅡ resonance analysis module. That may provide reference for the analysis of the relationship among pipe vibration frequency, amplitude and exciting force.

Keywords：CAESARⅡ; pipeline vibration; natural frequency; harmonic analysis; pressure pulsation

0引言

火电厂汽水管道振动故障不仅降低管道和相连设备的使用寿命，并且危及机组运行安全和运行人员的生命安全[1]。国内亚临界、超临界机组均发生过管道振动故障[2～5]。管道应力分析软件CAESARⅡ能够对管道进行静态载荷分析、动态载荷分析[6、7]。但是，使用CAESARⅡ的动态分析功能应用于化工、石油行业往复式压缩机管道振动的相关研究应用较多，而将CAESARⅡ动态分析功能应用于火力发电厂承压振动方面的研究应用仅体现在脉冲类瞬态载荷，如安全阀载荷、水锤载荷、汽锤载荷、地震等方面。如文献[8，9]分析了CAESARⅡ对火电厂主蒸汽管道和再热蒸汽管道进行安全阀排汽反力、汽锤力等力学计算和瞬时动态载荷分析。

目前，公开文献中，未见使用CAESARⅡ在稳态载荷下研究分析管道振动的报道。本文使用CAESARⅡ的动态分析功能对火电厂蒸汽管道稳态振动进行模拟计算，利用计算结果对管道振动提供治理措施参考。

1管道振动原因分析

截止到2014年8月，型号为SG-690/13.7-M451的超高压循环流化床锅炉累计运行39 000 h。该锅炉过热器中隔墙出口集箱与屏式过热器入口集箱由2根对称布置的管道(规格为Ф324×25 mm、材质为SA-106C)连接。中隔墙至屏式过热器连接管道(以下简称冷屏管道)工作温度为358 ℃，工作压力14.34 MPa。运行中，该管道标高29 300 mm的水平段存在振动故障。

1.1　静力分析

支吊架具有承受管道重力荷载、压力荷载、位移荷载、风荷载、地震荷载、冲击荷载、机械振动荷载作用，同时具有合理约束管道位移、限制管道接口对所连接设备的推力和扭矩、增加管道的稳定以及防止管道振动等功能。

冷屏管道支吊架布置见图1。图1中，#1、#2、#6～#11、#15、#16为弹簧吊架，#3、#14为刚性吊架，#4、#5、#12、#13为径向限位装置。弹簧吊架、刚性吊架和限位装置的冷态、热态状态均正常。

鉴于冷屏管道对称布置，因此使用CAESARⅡ对A侧冷屏管道进行静力计算，模型见图2。经计算，管道的最大一次应力为其许用应力的38.3%，最大二次应力为其许用应力的20.1%，均能够满足安全运行要求。冷屏管道关键节点热态位移值见表1。

图1　冷屏管道支吊架布置轴测图

图2　冷屏管道静力计算模型

表1　冷屏管道关键节点热位移值

由表1知，A侧冷屏管道节点90在DZ(垂直方向，“-”表示位移向下)方向的位移为-120.50 mm。结合图1知，冷屏管道从标高54 550 mm至标高29 300 mm之间的垂直跨度为25 250 mm，且该垂直段在DZ方向上仅有1个刚性吊架，使得冷屏管道节点90处的DZ位移为-120.50 mm。虽然管道的各次应力均合格，但冷屏管道在节点90处位移较大，且无相应的位移补偿装置。

1.2　模态分析

模态分析目标是识别出系统的模态参数，即固有频率、主振型，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化提供依据。

1.2.1CAESARⅡ固有频率计算

固有频率信息表明管道对动态载荷响应的趋势。如果系统的固有频率与激振力的频率接近，则系统易发生共振[10，11]。按照一般的规律，较高的固有频率与较低的固有频率相比，它对系统的破坏性较小。使用CAESARⅡ的连续质量法对冷屏管道进行模态计算，其前5阶固有频率见表2，由表2可知管道一阶固有频率较低，不满足DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》关于管道一阶固有频率应大于3.5 Hz的要求。

表2　冷屏管道系统固有频率

1.2.2ANSYS振型分析

使用ANSYS有限元方法对冷屏管道进行振型分析。冷屏管道A侧和B侧对称分布，B侧冷屏管道振型分析模型见图3。单元类型为壳单元，划分单元数为10 932。冷屏管道一阶振型、二阶振型和三阶振型见图4～6。

图3　ANSYS模态分析模型

图4　一阶振型

图5　二阶振型

由图4～6知，冷屏管道在标高29 300 mm水平段发生的振动主要是一阶振动。因此，振动治理的目标是解决一阶振动。

1.2.3管道振动测试

采用WVM2000型振动分析系统对A侧冷屏管道标高29 300 mm的水平段进行了测试。测试时，机组实时功率为165.1 MW(机组最大功率200 MW)。振动测点A，B，C，D，E布置见图7，测试结果见表3。测点C位移曲线和频谱图见图8、图9。

图6　三阶振型

图7　冷屏管道振动测点布置图

由表3可知，冷屏管道标高29 300 mm水平段的振动是低频高幅值振动，其振动频率较低，与一阶固有频率接近。

表3　A侧冷屏管道振动测试结果

图8　测点A频谱图

图9　测点A位移曲线

1.3　CAESARⅡ动态分析

动态分析时，CAESARII把每一个管单元从两个节点之间连续的梁单元转化为两个质点之间的刚度。质(节)点的其他刚度被加到静态分析模型中的固支、约束、支吊架和其他支撑上。在动态模型中忽略转动惯性矩。CAESARII谐波载荷的特性曲线是在一个固定的周期内，载荷以正弦曲线在最小到最大范围内变化。火电厂蒸汽管道系统的介质经高压给水泵输出后，虽然物理上已经过锅筒混合，但逻辑上仍然可以使用谐波曲线分析引发振动的激振力和管道对激振力的位移响应。

谐波载荷可以用函数来表示：

(1)

式中：A为平均力；B为力最大值和最小值相对平均力范围的变化；ω为角频率；φ为相位角。

汽水管道振动理论认为，蒸汽管道内工质流动时存在压力脉动，在流经弯头、阀门、节流孔等部位时产生周期性变化的压差。该压差在管道中产生不平衡的压力载荷，称为谐波力。使用谐振模块分析管道振动，关键是合理选用谐波力和激振频率。谐波力使用下面公式计算，激振频率则系统自动在一定范围内变化：起始频率1 Hz，频率增量0.1 Hz，终止频率10 Hz。

谐波力的计算公式：谐波力=1/2×压力变化×作用面积=322.79 N。其中，压力变化取汽包工作压力的5%，即0.75 MPa；作用面积：弯头内弧面积在管道轴线方向的投影，即管道内截面面积为860.79 mm2。

CAESARⅡ谐振分析功能可分析某激振频率下，管道对激振力的位移响应。激振频率F=1.3 Hz时，管道的响应位移见表4。激振频率F=1.9 Hz时，管道的响应位移见表5。

表4、表5的结果表明，激振频率为1.3 Hz和1.9 Hz时，冷屏管道节点80～节点120水平段X向位移对激振力响应强烈。CAESARII谐振分析结果与管道振动测试结果有一定偏差，与模型参数、管道及其约束安装偏差、机组运行负荷变化有关。

表4　F=1.3 Hz时管道响应位移

2管道振动治理

综上分析，冷屏管道标高29 300 mm段的支吊架布置不合理，使得冷屏管道整体柔性大、一阶固有频率低是造成冷屏管道振动的主要原因。根据DL/T 5054-1996和DL/T292-2011的要求，应采取有效措施对冷屏管道进行振动治理。

2.1　振动治理措施

冷屏管道振动的激振力来自蒸汽工质运行中产生的压力脉动，同时冷屏管道的一阶固有频率较低，管道对激振力响应强烈。因此，治理冷屏管道振动主要有两种方式：消除引发管道振动的激振力；提高管道约束，提高管道刚性和一阶固有频率。由于管道振动激振力来自蒸汽工质的压力脉动，因此该方法实施难度大，治理效果不确定。本次治理方案采取第2种方式。

振动治理措施：改变管道约束以提高管道刚性和固有频率，同时在适当位置安装阻尼减振器降低管道对激振力的响应，从而达到减缓管道振动的目的。

(1)安装恒力弹簧吊架。在图10中，A侧H1点和B侧的H2点处各安装1套恒力弹簧吊架。使用CAESARⅡ计算确定恒力弹簧吊架型号为58V- 47C127 (120↓)/23-M30。

(2)安装减振阻尼器。在图10的A侧Z1点和B侧Z2点处各安装1套X向ZN21C-C40X300-b-60型减振阻尼器。A侧冷屏管道减振阻尼器安装实物见图11。

图10　恒力弹簧和阻尼器安装位置

图11　A侧管道减振阻尼器安装图

2.2　振动治理评估

实施治理措施后，管道模态分析1～5阶固有频率见表6。振动参数复测时，机组实时功率为152.5 MW，结果见表7。一阶固有频率由1.312 Hz提高到3.523 Hz，管道各点X向的振动幅值均明显下降，并且各点X向的振动峰值速度均小于DL/T 292-2011《火力发电厂汽水管道振动控制导则》规定的极限值12.4 mm/s。

表6　冷屏管道振动治理后固有频率

表7　冷屏管道X向振动测试

3结论

(1)结合有限元计算和现场测试结果，查明过热器冷屏管道振动原因为管道支吊架布置不合理、管道一阶固有频率低，并采取改变管道约束、刚性和增加阻尼的措施解决了管道振动故障。

(2)使用CAESARⅡ谐振分析功能对火电厂蒸汽管道压力脉动载荷进行激振力、激振频率和位移响应分析，并通过与振动测试结果对比验证了其模拟结果的有效性和正确性。对管道系统进行数值分析，可以提高管道振动分析的效率和便利性，是对试验方法的补充。

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Study on Excessive Vibration Analysis and Treatment of Steam Pipe in Power Plant

Zhang Yanfei, Wang Yingjun, Chen Hao

(Metal Material Technical Research Department, Inner Mongolia Electric Power Science Research Institute, Huhhot 010020, China )