分离器平衡管道振动分析及治理

许 尧，朱子豪

(国家能源集团泰州发电有限公司，江苏 泰州 225327)

0 引言

通常情况下，管道振动会导致支吊架松动失效，对连接的设备产生附加推力，容易导致电厂汽水管道局部发生疲劳、损耗，甚至造成设备的损害，影响电厂安全生产运行。因此，查找分析振动原因并予以及时有效的治理对于提升机组运行安全性、经济性有着重要意义。

1 机组概况

某公司一期2台1000 MW燃煤发电机组为超超临界变压运行直流锅炉，锅炉采用П型布置、单炉膛、一次中间再热、反向双切圆燃烧方式。

锅炉的汽水流程以内置式汽水分离器为分界点，从水冷壁入口集箱到汽水分离器为水冷壁系统，从汽水分离器出口到过热器出口集箱为过热器系统，在两支汽水分离器蒸汽引出的平衡连通管中装有6只过热器入口弹簧式安全阀。

机组正常运行时，发现分离器平衡连通管发生频繁振动，并且平衡管上的安全阀修理完毕后半年内频繁发生内漏，给设备的检修治理带来了困难。

2 管路振动情况

2.1 管路布置

该公司电厂分离器平衡管路实际长度约6 m，管路中部设置1根恒力吊架，中部两侧各设置1个弹簧吊架，用于支撑载荷、平衡受力，同时6只安全阀均衡分布在平衡管路上。

2.2 管路振动现状

机组运行时管路存在振动，同时管路上安全阀和阀门附近格栅板也存在着长期的振动；结合检修情况，发现阀芯密封面存在吹损，螺栓法兰出现振动松动情况。该电厂按照检修计划要求定期对安全阀进行在线校验和检修，不存在压力整定问题造成安全阀内漏的情况。管路介质蒸汽温度在430 ℃左右，且为分离器上部平衡管，不存在气液两相问题，同时过、再热系统均为同类型安全阀，未发生频繁内漏现象。故综合分析认为，阀门内漏与管路振动可能存在一定关联，是机组安全稳定运行一大隐患。

3 振动原因分析与测试

3.1 管道振动原因分类

电厂管系的激振力来自系统自身因素和系统外因素。系统自身因素为与管道直接相连接的泵等转动设备的振动、管内流体动量瞬时突变、流体通过泄放阀和管道内流体的不稳定流动等引起的振动，系统外因素为地震载荷、风载荷等，主要分为以下几类。

3.1.1 机械振动

管道连接转动机械如汽轮机、往复式机械泵、压缩机等，受到端口传递来的周期性激振力引起管道振动。机械振动引起的管道振动可以通过机械振动频率和管道振动测试数据的对比确认振动原因。

3.1.2 流体脉动压力

由于往复式泵或压缩机的吸气排液是周期性、间歇性的，因此管道内流体的流速忽快忽慢、压力忽高忽低，形成了一种不稳定的状态，这种周期性的压力脉动对管道系统产生周期性的激振力引起管道振动。这种振动可以通过压力检测点的压力变化和振动采集图像的对比确定。

3.1.3 气液两相流

流体在流经管路或节流元件时，遇到局部压力突降至饱和压力以下的情况下，部分流体会气化(闪蒸)，产生气泡形成真空，气泡在受到外压挤压破裂，冲刷管壁，造成管道高频振动，并将管道内壁冲刷成蜂窝状，即汽蚀现象。

当压力继续降低，随着气液两相之间的比率变化，形成两相流，不同的两相流流动状态会形成不同的压力波，从而导致不同程度的管道振动和噪声。可根据管道前后元件和管道结构，结合振动测试结果进行判断。

3.1.4 流体高速振动

当流体流经减压阀、安全阀、喷嘴或其他节流元件时，流体的流速急剧增大，达到或接近临界状态时出现不稳定的流动状态(紊流)，在其冲击下管道系统将会产生强烈的振动并伴有噪声。高速流引起的振动一般都表现为高频振动且伴有噪声。紊流也有可能是经过管道中的障碍物或者通过变径管道时产生的，紊流引起振动的幅值和频率是不稳定的，当雷诺数Re超出2800时，并伴有较大噪声时，可认为是紊流导致振动。

3.1.5 流体瞬变冲击

当管道内流体流量发生瞬时突然变化时，例如管道系统中阀门的快速开启或关闭，高温或低温流体急速流入管道并在管道内急速加热或冷却而产生相当大的高压或负压时，产生强大的压力波迅速传播，对管道产生巨大的冲击力，引起管道的强烈振动，也就是水锤或汽锤。

水、汽锤的冲击力一般较大，一般会对管道沿线的支吊架形成较大的损伤，也较容易在现场找到冲击痕迹，并且可以通过实时应变监测系统监测到冲击信号。

3.1.6 管道结构缺陷

个别管道支吊架失效会引起管道系统受力的重新分布，从而导致部分支吊架过载或欠载，引起管道振动。因此，管道设计除了静力设计还需考虑动态设计，既要有足够的柔性来保证热膨胀不会引起应力超标，也要有足够的刚性来保证柔道扰动时不易发生振动。当设计存在缺陷或现场施工存在缺陷时，也会引发管道振动，且通常表现为低频振动。

管道支吊架的失效或管道设计缺陷可以通过支吊架的排查和管系设计复核来发现。

3.2 原因分析

(1) 由于管路介质蒸汽温度为430 ℃左右，且为分离器上部平衡管，不存在气液两相问题，因此不会存在由于气液两相流原因造成管路的振动。

(2) 由于机组稳定运行过程中，分离器平衡连通管中流量参数稳定，处于一种平衡状态，不存在由于工质流量反复变化造成管道系统压力周期性变化而产生的强烈管道振动。

(3) 假设是由于工质流经安全阀，通过管道变径造成节流引起的紊流振动，根据上述振动分类分析，该种振动一般表现为高频振动。而实际上根据该处的振动频率分析，发现为低频振动，且过热器系统同类型大口径管道也安装了同种结构的安全阀，未发现有这种振动情况，故该种假设不成立。

结合上述的振动原因分析与机组检修情况，根据机组热态现场勘察的结果，振动产生的可能原因主要包括以下几种。

(1) 流体在通过弯头时可能产生激振力。

(2) 平衡管两侧压力失衡，导致管内产生压力脉动，从而引起振动。

(3) 该管系局部位置可能存在支吊架失效、失载，或管道柔性太大，引起振动。

3.3 验证测试

针对上述分析，现场进行了测试验证。

(1) 针对上述第1个可能的原因，在不同负荷(750 MW和1000 MW)工况下，对弯头处、平衡管中部的振动进行同时检测，发现弯头处与平衡管中部处振动值无明显偏差，均存在着低频振动，而不是弯头部位存在局部周期性的高频激振，说明整个管系存在普遍振动情况。

(2) 针对上述第2个可能的原因，结合DCS数据对各个工况(750 MW和1000 MW)下平衡管两侧的压力进行记录和对比，并测试各个工况下的振动情况，未发现平衡管两侧压力有失衡现象。

(3) 针对上述第3个可能的原因，检查对比冷热态支吊架的运行情况，发现管道的两端弹簧吊架有失载的现象，基本确定了振动产生的原因为管道部分支吊架存在失效，管道结构整体刚度发生变化，在受到流体激励时产生了振动。

通过振动测试可知，平衡管道在运行功率达到900 MW时振动最大，振动最大峰值为120 mm/s，主振频率为10 Hz。管道振动速度较大，且主要表现为低频振动，根据上述管道振动原因分类，确定管道振动的原因为管道结构整体刚度的缺陷。

4 振动治理及成效

4.1 处理方案

根据现场检查情况及测试结果，该处振动表现为低频振动，确定了以下主要治理措施。

(1) 检修期间对检查发现的失效、失载的弹簧支吊架进行恢复和紧固。

(2) 平衡管路管线较长，同时弹簧吊架在长期热态运行条件下若出现失载情况，势必加剧低频振动，故考虑在管道上加装阻尼器来吸收低频振动。根据现场实际情况，在平衡管两侧增加2个三向阻尼器。阻尼器安装在室外锅炉侧，其工作温度基本为周围的室外温度，约-10～40 ℃。根据阻尼液对温度的适应要求，选择RHY型阻尼器；根据阻尼系数和振动频率，结合现场安装条件，选择RHY-320型阻尼器，基本满足要求。

4.2 治理后振动测试

按照治理方案施工后，测试显示，在机组900 MW功率时管道振动峰速由120 mm/s降至60 mm/s，振动降幅达50 %。治理后，机组运行过程中安全阀也未再出现频繁的内漏现象。

5 结束语

结合现场检查及各工况下的振动测试分析，通过恢复失载支吊架、增设阻尼器的方式，改变了管系结构的动态特性，验证了振动治理方案的有效性，成功消除了设备振动隐患。