应急柴油机燃油管道振动高原因分析和改造

贺成龙

广西防城港核电有限公司

应急柴油机发电系统在电站失电事故中向电厂主要安全系统供电，确保电厂能及时实现紧急停堆[1]，而燃油系统在应急柴油机发电系统中执行燃油供应和回收功能。某电厂应急柴油机发电系统在功率试验时，燃油系统中的回油管道振动速度超过限值，长期运行可能引起回油管道疲劳破坏，燃油无法及时回收，影响应急柴油机发电系统安全运行。因此，有必要对回油管道振动高进行原因分析，并对其进行改造。

柴油机燃油系统简图如图1所示，油箱中的燃油先通过齿轮油泵提升压力后进入燃油回路，再由注射油泵将燃油定量地注入油缸完成燃烧，而回路中未被利用的燃油则通过回油管道回流到油箱。回油路管道材质为P265GH，规格（外径×壁厚）25.4mm×3.38 mm，管道设计压力4.4MPa，温度60℃。回油管道与燃油回路通过软管连接，回油管道下游分为两路，一路经过孔板减压后直接回到油箱，另一路经过调压阀，阀门开启压力为2 bar。

功率试验中，回油管道中振动超标管段出现在弯头6、弯头7 和弯头8附近，如图2所示，最大振动速度达到56 mm/s，超过许用限值38.2mm/s，为保证燃油系统安全运行，分别在管道节点6与节点7、节点7与节点8之间分别增加了临时固定装置，加固后的管道最大振动速度下降到28 mm/s。

图1 燃油系统简图

图2 管道布置图

1 原因分析

柴油机中每个油缸均配置有一台注射油泵，如图1所示，油泵注油瞬时引起燃油回路油压下降，当压降传到油回路前端的齿轮泵出口和回流孔板时，将导致泵出力增加，孔板泄流减小，油压上升，待油压回升之后，注射油泵又再一次注油降低油压，故注油过程将不可避免地引起管道中的油压周期性波动。柴油机共有 18 个油缸，功率试验时转速 1000 r/min，注油周期为2转/次，计算得出油压波动频率为150 Hz。另外，我们对管道弯头6处的振动速度时域振动数据进行傅里叶变换，得出的频谱如图 3 所示，由图可知，振动速度一阶主频为158 Hz，且主要频率分布在 150～250 Hz的区间内，这与油压波动频率 150 Hz十分接近。

图3 振动速度频谱图

燃油回路与回油管道设计为柔性连接，如图1所示，能消除柴油机本体振动对燃油管道的激励，但无法隔离管道内的油压波动的传播。当管道内的压力波动传播到管道弯头处时，因流动方向的改变，在惯性力的作用下，易导致管道在弯头处振动偏大，油压波动频率与管道振动主频接近也证实了上述推断。

分析管道布置情况，回油管道在节点5-9之间有3 处弯头，且无支架固定，如图2所示，在管道长度相同的情况下，弯头数量越多，管道的刚度越低[2]。回油管道是一个复杂的连续弹性体，振动响应可以看成有限质点多自由度振动系统，对于n个质点无阻尼系统，其频率方程[3]如下：

式中：K为刚度矩阵；M为质量矩阵；ω为各阶固有频率。由式（1）可得，系统的固有频率与刚度和质量矩阵相关，在管道质量不变的情况下，管道的刚度与固有频率成正比，现场在管道弯头较多的区域，刚度较低，必然引起管道固有频率下降，在低频激励下，易导致管道产生共振。

综上所述，根本原因为管道内的压力波动，促成原因为管道弯头区域刚度不足，固有频率低，最终导致管道在弯头区域产生共振，引起振动速度偏大。

2 改造与分析

2.1 改造方案

为改善回油管道弯头区域的振动偏大问题，可以从两个方向采取措施：一是降低管道内压力波动频率，错开管道的固有频率，减少共振。二是提高管道的刚度，增大管道固有频率，减小低频共振。考虑到注射泵相连管道内压力波动为设备固有特性，及增加压力波动隔离装置的复杂性，采取增加管道刚度的简单方法来减小振动。结合管道布置和现场安装空间，具体方案如图4所示，在管道节点7-8和 8-9 之间分别增加一处S2级导向支架。

图4 新增支架后管道布置图

2.2 应力校核

管道增加支架后，管道的应力重新分布，为保证管道在各类工况下完整性和功能性，根据 RCCM 规范[4]对增加支架后的管道应力、接管载荷和法兰应力进行校核，结果如表1、2、3所示，由表可知增加支架后的管道应力满足RCCM规范要求。

表1 管道功能性校核最大应力比

表2 设备接管载荷校核

表3 法兰应力校核

3 改造效果

对比改造前后测点最大振动速度，结果如表4所示，由表可知，改造后测点最大振动速度由56 mm/s 降低为31.8 mm/s，低于振动限值 38.2 mm/s，大幅降低了管道的振动速度，达到提高管道刚度降低振动的预期效果。

表4 改造前后最大振动速度对比

4 结论

柴油机功率试验中，油缸注射泵注油过程引起回油管道中油压波动，软连接无法隔离压力波动传播，当压力波传播到管道弯头区域时，叠加管道弯头处刚度不足，在惯性力的作用下，导致管道振动频率与压力波动频率一致，产生共振，引起管道振动速度偏大。通过在管道弯头增加导向支架，提高管道刚度，有效地降低管道的振动速度。同时，应力校核表明增加支架后管道应力值满足RCCM规范要求。