核电厂主蒸汽管道振动原因分析与治理

梅晓好 ，魏旭峰 ，夏军 ，付勇

（1.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124；2.中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518124；3.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

1 工程概况

某核电厂主蒸汽至除氧器管道（以下简称“VVP-525”管道），该管道在汽轮机脱扣、甩负荷、低负荷等瞬态工况下使用，主要是为了维持除氧器压力，以防止主给水泵发生气蚀和保证除氧效果，该管道在编号为 VVP-525-001 与 VVP-525-006 的支吊架之间段存在较大程度的低幅高频振动。

2 管道振动原因分析

通常引起管道受迫振动的周期性激励力主要是管道内的脉动压力，特别是管道中流动的脉动气体，在遇到弯管、异径管、阀门及盲板等管道元件时，就会出现激励力，从而使管道做受迫振动。当作用在系统上的干扰力频率等于或接近系统的固有频率时，振动系统的振幅会急剧增大，即出现共振[1，2]。

2.1 引起管道振动的原因

通常，引起管道振动的原因主要有：（1）机械系统的动力平衡性；（2）管道内部流体流动状况；（3）管道流体的脉动压力。

通过现场勘查，发现引起 VVP-525 管道振动的主要原因是管道内部流体通过管件时，介质流场改变导致；VVP 母管振动并不是很明显，介质经过连接三通进入 VVP-525 管道后，管道振动出现了放大，管道 X 向与 Y 向振幅明显增加，从管道布置可以看出，介质流经连接 VVP-525 管道与 VVP 母管的三通流场发生改变是引起 VVP-525 管道振动的激励源；管道在支吊架 VVP-525-002 与 VVP-525-003 的连续弯头使得管道内部流场频繁改变走向，振动幅值在立管处继续增加，振动幅值在立管中部达到了最大值；管道的弯头较多，导致管道柔性增加，激励源引起管道共振，管道振动方式为低频高幅振动。

2.2 管道模态分析

本次管道模态分析计算程序是以梁单元模型为基础的有限元分析程序。在国际公认的管道应力分析程序中，Caesar II是应用最广泛的软件之一[4]。Caesar II 是由美国 COADE 公司研制开发的专业管道应力分析软件。它被广泛应用与石油、石化、化工、电力、钢铁等行业。建立管道有限元几何模型，经计算分析，管道低阶固有频率共有10个，如表1所示。

表1 管道低阶固有频率

经过与现场实际情况进行比对，发现有限元模型第7阶、第8阶阵型与现场实际振动方式基本一致。

从图1可以看出，管道有限元模型第7阶阵型主要以 X向振动为主，在水平管段 VVP-525-002 弹簧支架下游连续弯头处以及立管管段 VVP-525-003 与 VVP-525-004 支吊架中部振幅较大。

管道有限元模型第8阶阵型主要以 Y 向振动为主，在立管管段 VVP-525-003 与 VVP-525-004 支吊架中部，以及立管管段 VVP-525-003 支吊架下游弯头处振幅较大。

图1 管道有限元模型第7阶阵型图

综上所述，现场勘查发现，VVP-525 管道实际振动情况比较复杂，管道振动主要以 X、Y 向为主，初步判断管道实际阵型是第7阶与第8阶阵型的叠加，激励源频率非常接近管道第7阶与第8阶频率，引起管道共振。

3 管道振动测试结果与评估

3.1 管道振动测试

本次采用压电加速度计作为振动测量的传感器。压电加速度计具有测量范围大、测量精度高、受环境限制小且几乎不受磁场影响等优点，电场干扰也可通过前置放大器将其影响降到很小。管道振动测试系统由单轴加速度计、数据采集系统（CoCo80）以及后处理软件（EDM2.2.72）组成。

各测点振动最大速率与自功率谱如表2所示，其中，振动测试点位于各个支吊架附近，测点编号对应支吊架编号。

表2 各测点振动测试数据

从表2中的数据可以看出，L3-VVP-525 管道在水平方向振动速度较大，最大速度峰值为 60.34mm/s。测试结果显示振动主频率为 4.0～5.0Hz，这也验证了前面的初步推断，激励源频率非常接近管道第7阶与第8阶频率，引起管道共振。

3.2 管道振动峰值速度评估

根据 ASME OM-S/G-2000 part3 以及 DLT 1103—2009 标准的相关规定采用速度准则进行管道振动评判。计算许用速度如下：

式中，C1为补偿可能存在集中质量对管道的影响的修正系数；C4为考虑管道端部约束条件不是固定端和几何形状不是直管段的修正系数；C3为考虑流体质量和保温层材料质量影响的修正系数；C5为测量频率与管道的第一阶固有频率不同时的修正系数，为非共振强迫振动的修正因子，它等于管道管跨的第一阶固有频率和测量频率的比值，该比值为 1.0～2.0；比值小于1.0 的，修正因子等于 1.0；α 为许用应力减弱系数；Sel为 0.8Sa，Sa为10的6次方次循环下的交变应力或10的11次方循环下的交变应力；C2K2对大多数管道系统，由 ASME 规范确定的应力指数≤4，因此，保守取值 C2K2=4。

因此，计算得到管道振动速度允许峰值：

VVP-525 管道各测点在 X、Y、Z 向振动速度峰值最大为60.89mm/s，接近允许值 70.7mm/s。

4 管道振动治理方案

管道振动治理思路与手段主要有以下几种：

1）消振。对能消除的原因进行根治。流速过高引起的振动，通过扩大管径降低流速；控制管流的压力脉动，使其不产生谐振；改变管道结构参数配置方式，以改变管道的固有频率，使其不产生机械振动。

2）减振。对不能消除的原因引起的振动只能用间接措施来改善情况。对存在缺陷的管道支吊架进行调整、修复；增设限位支架（改变管道局部结构刚度）、液压阻尼器、机械阻尼器或弹簧减震器；增加隔而固阻尼器（增加管道阻尼）。

3）避振。对有共振现象的振动，在保证管道应力合格的前提下，通过改变固有频率避免共振。可以改变系统的质量，也可以改变系统的刚性，使系统的固有频率避开外部激励频率，避免共振。

这次采取的思路是减振，在 VVP-525 立管与水平管段分别添加黏滞阻尼器，阻尼器型号为隔而固 VRD30/V40/H80 与VRD50/V40/H120。选择黏滞阻尼器的原因是由于它具有以下优点：黏滞阻尼器是与动力响应速度成正比的黏性阻尼筒，不承受静载荷，不影响热位移，不改变管道应力分布；黏滞阻尼器可以使整个管道系统的阻尼达到 100%，也就是使振动波形一次衰减不震荡；对运行振动与冲击载荷一样有效；在所有自由度上对振动的反应都毫不延迟；结构简单，且易于卸载与安装；没有磨损件，不用维修，寿命无限。

5 结语

本文对主蒸汽管道现场振动情况进行了详细描述，通过建立管道有限元模型，对管道进行模态分析，得到管道固有频率与对应振型，并结合现场情况初步分析了引起管道振动原因是管道内部流体通过管件时，介质流场改变导致。另一方面，对管道进行振动测试，得到了各个测点的振动峰值速度与主频率，根据相关标准进行了振动评估。最后，结合数值模拟结果与振动测试结果得到了管道实际振型，制订了管道振动治理方案。