某9F燃机防喘放气管道振动检测及评估

江 峰，付金龙

（杭州华电半山发电有限公司，浙江 杭州 310011）

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械。GE 9FA燃气轮机包括压气机、透平机等结构，在发电厂的燃气轮机运行过程中，当流经压气机的空气流量减小到一定程度时，空气流量就会出现波动，严重时甚至会出现气流从压气机的进口处倒流出来的现象，这时压气机前几级叶片受到很高的空气压力负荷，以至于在压气机叶片表面出现气流与边界层脱离的现象，此时的压气机级就不再具有基本的升压能力，这也会导致机组产生强烈的振动，这种现象被称为喘振现象，由于压气机发生严重喘振时，往往会引起压气机叶片断裂现象的产生，在机组的实际运行中，必须采取相应的防喘振措施[1]。目前，常用的压气机防喘振方式有3种，分别为压气机中间放气、压气机进口可调导叶和分轴压气机，这些方式的防喘方法不同，但基本都是通过减小非正常工况时的气流冲角变化来保持压气机工作的稳定性。其中中间放气法是指在多级轴流式压气机通流部分中间的一个或多个截面上引出空气，将其引回到压气机进口处或者排入大气与燃机排气扩散段。

1 故障情况

某燃机电厂拥有六套STAG 109FA单轴联合循环机组，其中的GE 9FA燃气轮机均是在压气机第9级及第13级处设置抽气管道，并将其接入燃机排气扩散段，燃机左右两侧对称布置有4条抽气管道，每条管道上均设置有防喘放气阀，在启机过程中，当燃气轮机转速升至71%额定转速时，控制系统会将所有的防喘放气阀从打开状态转到关闭状态，机组正常运行时防喘放气阀全部关闭，防喘放气管道布置如图1所示。防喘放气管道规格Φ273×9.27，材质为TP304L不锈钢。防喘放气管道在机组正常工作状态下温度为60℃左右，每条管道上各布置有4组弹簧吊架及1组波纹管膨胀器用于承载及热胀位移吸收。

图1 防喘放气管道布置图

自机组建成投运以来，机组发生过多次因防喘放气阀故障而导致的跳机事件[2]，其中有些故障是由于防喘放气阀内几组固定螺栓发生松脱事故，导致关断阀异常动作。

2 振动测试

为评估防喘放气管道振动状态，在机组运行过程中对其进行振动测试，现场测点布置如图2所示，测点布置在防喘放气阀与管道连接的法兰盘上，采用的测试仪器为江苏亿焱EY226型设备动静态测试分析系统及BK 4534-B型加速度传感器。

图2 测点布置情况

每个测点均对3个方向的振动进行了测试，对测试所得的加速度数据进行频谱分析（傅里叶变换），得到主要振动频率，并对测试加速度数据进行1次积分操作，得到振动速度数据。各测点的测试数据详见表1。

表1 防喘放气管道振动测试数据

由测试结果可知，防喘放气管道最大振动速度为189.7 mm/s，主要振动频率分布在50 Hz及100 Hz附近，说明振动主要是由主机振动传导所致，主机振动基频为50 Hz，传导至管道后，引起管道产生倍频及2倍频的振动。防喘放气阀体振动是由管道振动传导所致，由于防喘放气阀体及执行机构垂直伸出管道表面600 mm左右，呈悬臂状态，在管道振动的激励下，振动更为明显，振动响应放大。

3 管道振动分析评估

目前，还没有相关标准对防喘放气管道的振动程度进行明确规定，在此参照DL/T 292—2011《火力发电厂汽水管道振动控制导则》对该防喘放气管道的振动程度进行评判。该标准将管道量最大峰值速度与允许峰值速度进行比较，认为管道振动可接受性标准为：

允许峰值计算速度的计算公式为：

其中：β为转换系数，取13.4 mm/s/MPa；

C1为管道特征跨距补偿集中质量影响的修正系数，取值如图3所示；

图3 管道特征跨距间补偿集中质量影响的修正系数C1

C2K2，C2为二次应力指数，K2为局部应力指数，对于大多数管道系统，ASME规范确定的应力指数C2K2不大于4；

C3为考虑管道介质和保温层的修正系数，当管道无保温层且管内无介质或蒸汽时，取C3等于1.0；

C4为端部修正系数，两端固定的直管段取1.00，悬臂及简支梁取1.33，等臂Z形弯结构取0.74，等臂U形弯结构取0.83，筛选时取保守值0.7；

C5为为考虑强迫振动偏离共振的修正系数，等于管跨第一阶固有频率与测量频率的比值，该比值在1.0和2.0之间，比值小于1.0时，取为1.0；

Sel为0.8SA，其中SA为ASME BPV Code，Section III图1-9.1中106次循环下的交变应力，或者ASME BPV Code，Section III图1-9.2.2中1011次循环下的交变应力，MPa；

α为许用应力减弱系数，ASME BPV Code，Section III图1-9.1中所涉及的材料取1.3，ASME BPV Code，Section III图1-9.2.1或图1-9.2.2中所涉及的材料取1.0。

对于该防喘放气管道，防喘放气阀管段内的防喘放气阀重量与管段重量的比值较小，C1在此近似取值为0.8；C2K2按照保守取值为4.0；管道无保温且正常工作状态下管内无介质流动，C3取值为1.0；防喘放气阀所在的长直管段，两端可以认为是简支梁，C4可以取值为1.33；一般管道第一阶固有频率不会太高，C5在此取值为1.0；对于不锈钢管道稳态振动时的Sel/α，ASME BPV Code，Section III图1-9.2.2中1×1011次循环下的SA为113.76 MPa（α=1.0），Sel/α＝0.8SA/α=0.8×113.76/1.0=91.0 MPa。

因此，对于该防喘放气管道允许峰值计算速度为：

上述允许速度判别法是基于管道最大振动速度和工作应力之间的正相关关系而定，其核心思路是考虑管道振动引起的动应力不超过管道材料所对应的许用应力，其本质是对管道结构本身的安全性而言，并没有考虑管道振动对管道上阀门部件内部结构的具体影响。

现场测试显示防喘放气管道振动的最大速度为189.7 mm/s，小于324.4 mm/s，参照DL/T 292-2011《火力发电厂汽水管道振动控制导则》的要求，可以认为该管道振动是满足规范要求的。同时也需要认识到，该振动评判标准是对管道结构本身的安全性而言，并没有考虑管道振动对管道上阀门部件内部结构的具体影响，具体到振动导致的阀门故障，还需要结合阀门内的具体结构进行详细分析。

4 处理建议

从防微杜渐的角度考虑，本着提高设备安全性的原则，建议可从提高阀门内部连接件强度及降低管道振动程度2个方向进行预防处理。

在一些高频振动的场合，有一些由于被紧固件之间因振动而产生相对运动导致螺栓松脱的情况[3-5]，常见的解决方法有以下3种：（1）在拧螺丝时垫上菊花垫、弹簧垫；（2）还可以使用自防松螺栓，在与被紧固件的接触面上有倒刺型防松棘（倒刺）；（3）在紧固螺栓时在螺栓上涂胶。与此同时，应确保阀门的耐振动性能，建议对新采购的防喘放气阀增加耐振动试验要求，可以按照GB/T 22653—2008《液化气体设备用紧急切断阀》中的有关要求执行。

从振源角度看，该防喘放气管道振动主要是由燃机整体振动传导所致，振源无法消除，因而如需降低管道振动幅度，可以从增大管道阻尼的方向考虑，通过添加高耗能阻尼器提高管道阻尼。高耗能阻尼器核心材料是一种高分子聚合物，可以在变形时耗散振动能量，具有粘性和弹性双重特性，由于高耗散能材料采用了高阻尼的粘弹性材料，因而兼具隔振功能和减振功能。

5 结束语

现场测试显示，防喘放气管道最大振动速度为189.7 mm/s，主要振动频率分布在50 Hz及100 Hz附近，说明振动主要是由主机振动传导所致，参照DL/T 292—2011《火力发电厂汽水管道振动控制导则》的要求，防喘放气管道的允许峰值计算速度为324.4 mm/s，可以认为该管道振动是满足规范要求的。

针对该防喘放气管道振动情况，本着提高设备安全性的原则，最终给出了从提高阀门内部连接件强度及降低管道振动程度两个方向进行处理的参考方案。