工作变形分析方法在发电厂汽水管道振动治理中的应用

陈海鑫，林 磊，徐德城

（1.浙江浙能镇海发电有限责任公司，浙江 宁波 315208；2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

发电技术

工作变形分析方法在发电厂汽水管道振动治理中的应用

陈海鑫1，林 磊2，徐德城2

（1.浙江浙能镇海发电有限责任公司，浙江 宁波 315208；2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

通过工作变形分析方法处理振动测试数据，可获得管道运行过程中时域和频域内的实际变形特征，以此更有针对性地进行振动治理。以浙江某发电厂给水管道振动治理为案例，采用工作变形分析方法对测试数据进行分析，发现管道上存在的支吊架松动和失效现象，根据管道实际变形特征，制定了减振治理措施，并采用模拟计算验证了此方法的有效性。

振动测试；工作变形分析；给水管道；振动治理

0 引言

汽水管道系统振动是火电厂日常生产运行中的一种常见现象。振动会导致管道产生持续的交变应力，过大的交变应力积累到一定程度会产生振动疲劳裂纹，特别是在焊缝等结构薄弱位置。管道振动疲劳失效是一种脆性断裂，断裂发生前结构没有明显的塑性变形，这种突发的断裂将给安全生产带来极大隐患，甚至导致机组停机及人员伤亡，造成巨大经济损失。因此，在管道振动疲劳失效前就能发现其变形较大的位置及振动特征并提出针对性的治理方案非常必要。

1 振动治理理论及方法

引起管道系统振动的主要原因可以分为两大类[1]：系统外激励和系统本身所致。系统外激励主要包括风载荷、地震载荷及所连接转动设备振动等；系统本身原因主要包括管道内部流体、布局设计不合理等[2]。

消除汽水管道振动的方法包括：改变管道内流体状态、改变管道布置、改变管道结构刚度、阻尼等[3]。改变管道内流体状态涉及到机组运行工况，改变管道布局难度较大。所以通常选择改变管道结构刚度、阻尼的方法进行振动治理。由于改变管道阻尼不影响管系的静应力分布，且安装维护也较为方便，故通过添加阻尼器来减缓管道系统振动是一种较好的振动治理方法。

1.1 阻尼对结构动特性的影响

单自由度系统的运动方程如式（1）所示[4]：

从图1可以看出，动力放大系数D与频率比β和阻尼比ξ相关。当频率比数值在1附近时，动力放大系数D取最大值，此时结构振动幅值最大，发生共振现象。在频率比不变的情况下，结构阻尼比越大，动力放大系数越小。由此可见，在外部条件不变的情况下，通过增加结构的阻尼比可以达到减小振幅的目的；尤其在频率比、阻尼比都较小时，增加阻尼对于降低结构振动幅值更有效。

图1 动力放大系数与频率比、阻尼比的关系

1.2 工作变形分析方法

ODS（工作变形）分析反映的是在特定工况下，对应于特定频率，各测量自由度之间的往复运动形态。利用位移/力的频响函数{H}为基础的模态模型，位移ODS{X}可用式（6）来描述：

式中：i为测量自由度序号；ωp为特定的角频率；Fj（ω）为j自由度激振力（输入）的线性谱；m为激振力总数。

利用ODS分析，能够直观了解到结构各位置在特定工况下的振动形态，同样能显示出结构在某一频率下的振动变形。ODS分析方法在汽车、电力等行业均有所应用，如ODS技术应用于特高压电抗器振动测试分析中[6]。由于管道振动以一个或几个频率为主，通过分析管道在主要振动频率下工作变形，获得管道振动变形较大的位置及其振动特征，有针对性地进行振动治理。

2 振动治理案例

浙江某发电厂5号机组乙列给水前置泵进水管线振动较大，主要表现为10～17.35 m标高之间管段晃动幅度过大，图2给出了管道布局示意。为防止管道由于长期晃动而发生振动疲劳破坏，对此管道进行振动测试并制定振动治理方案，以减缓管道振动[7]。

2.1 测试结果及分析

根据管道现场布局情况，共布置15个测点，每个测点包含3个方向。管道最下端测点编号为a1，最上端编号为a15，中间管段测点编号自下而上分别为a2—a14，如图3所示。

在机组正常运行工况下，应用LMS（振动分析系统）进行工作变形测试。采样频率为256 Hz，采样时间60 s。表1给出了各测点的振动位移峰值。可以看出，x方向最大振动位移峰值为1.36 mm，位于a12测点；y方向最大振动位移峰值为1.57 mm，位于a4测点；z方向最大振动位移峰值为1.51 mm，位于a5测点。

图2 管道布局示意

图3 测点布置

表1 管道各测点振动位移（工作变形）值 mm

对测量数据进行频谱分析，获得管道各测点的主要振动频率在4～6 Hz之间。以测点1为参考点，计算测点1与其他各测点的互功率谱数据，利用LMS软件中的工作变形分析工具，获得该管段的时域和频域工作变形。由于不同时间管道变形情况不同，图4给出了其中一个时刻管道的时域工作变形，图5—7分别给出了4 Hz，5 Hz和5.75 Hz下管道的频域工作变形，由图中可以看出，a1—a9管段主要以4～5 Hz振动为主，而a9—a15则以5.75 Hz振动为主，且弯头和管段中部是振动幅值较大的部位。

图4 管道时域工作变形

图5 管道4 Hz工作变形

图6 管道5 Hz工作变形

图7 管道5.75 Hz工作变形

从图5可以看出，在这段管道中振幅较大的位置位于上游3个弯头处，尤其是第2弯头（即测点a12）处的振幅最大。这段管段上现有的约束装置多为弹簧吊架，测点a10处为横向限位支架但已损坏。这些约束装置无法对管道水平横向起到好的限制作用，同时在流体流经弯头时引起的冲击力作用下，管道出现了低频高幅振动现象。

a5测点的振动幅值相对该段管段上其他点要大，而实际上该位置已安装有横向限位装置。经现场检查发现，该限位装置已损坏，不能起到应有的约束作用。

2.2 减振措施

根据工作变形分析结果及现场检查情况，制定了下述减振措施：

（1）在a6，a9，a12测点位置添加粘滞型阻尼器。

（2）拆除a5测点原有限位装置，改为轴向限位支架。

2.3 治理效果验证

应用CAESARII软件建立管道模型，计算治理前后管道的振动位移值，以验证此方案的治理效果。根据现场布局，建立管道模型，管道两端（分别与除氧器、前置泵连接）作为固支点，考虑管道内部流体压力、温度及保温层的影响。在a1点（管道与前置泵连接处）施加ELCENTRO地震谱，激励方向为正y，放大因子为0.1。考虑到管道节点较多，仅比较管道弯头处的振动位移值，具体数值如表2为所示。

表2 管道各弯头振动位移值 mm

从表2可以得出，在相同激励条件下，采用治理方案后，管道a7，a9，a14三个弯头处的振动位移值明显减小。计算结果表明，此处制定的振动治理方案效果明显。

添加阻尼器前后管道的振动位移示意分别如图8、图9所示。

图8 治理前管道振动位移

图9 治理后管道振动位移

3 结语

采用ODS分析方法分析振动测试数据，可以获得管道实际运行工况下的变形时频特征。在浙江某发电厂给水管道减振治理方案上的应用情况表明，该方法一方面可方便地应用于诊断管道刚性约束装置的完整性，另一方面可以为管道振动治理提供非常直观的参考。

[1]王乐勤，何秋良.管道系统振动分析与工程应用[J].流体机械，2002，30（4）∶28-31.

[2]徐升.600 MW机组高压调节阀振动大的原因分析及处理措施[J].浙江电力，2016，35（1）∶53-56.

[3]杨晓伟，李国明，谢澄，等.600 MW机组主再热蒸汽及旁路系统管道支吊架调整与优化[J].浙江电力，2016，35（4）∶54-58.

[4]倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社，1988.

[5]克拉夫，彭津.结构动力学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]田昊洋，刘闯，苏勇令，等.基于ODS的特高压电抗器振动测试方法研究[J].华东电力，2014，42（8）∶1570-1573.

[7]刘习军，贾启芬.工程振动理论与测试技术[M].北京：高等教育出版社，2006.

（本文编辑：陆 莹）

Application of Operating Deflection Shape Analysis in Steam/Water Piping Vibration Mitigation

CHEN Haixin1，LIN Lei2，XU Decheng2
(1.Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Generation Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315208，China；2.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215004，China)

The actual deformation properties in time domain and frequency domain during piping operation can be obtained by application of operating deflection shape（ODS）analysis in vibration data processing for vibration mitigation.Based on the feedwater pipe vibration mitigation in a power plant in Zhejiang province，the operating deflection shape analysis is used to analyze the test data.It is found that supporters and hangers on the pipes become loose and failed.In accordance to the actual deformation characteristics of the pipes，vibration mitigation measures are formulated；moreover，simulation calculation is adopted to validate the method.

vibration test；operating deflection shape（ODS）analysis；feed-water pipe；vibration mitigation

TM621.7+2

：B

：1007-1881（2017）03-0042-04

2016-11-20

陈海鑫（1964），男，工程师，从事发电厂汽轮机检修管理工作。