張艷飛,王英軍,陳　浩

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院 金屬所，內(nèi)蒙 呼和浩特010020)

火電廠蒸汽管道振動(dòng)過大分析與處理措施研究

張艷飛,王英軍,陳浩

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院 金屬所，內(nèi)蒙 呼和浩特010020)

摘要：結(jié)合CAESARⅡ分析結(jié)果和振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，分析鍋爐冷屏管道振動(dòng)的原因是管道支吊架布置不合理、管道一階固有頻率低，之后采取有效措施解決了管道振動(dòng)故障。在國內(nèi)首次使用CAESARⅡ諧振分析模塊模擬計(jì)算了冷屏管道對蒸汽壓力脈動(dòng)載荷激勵(lì)的位移響應(yīng)，為現(xiàn)場快速分析管道振動(dòng)頻率、振幅和激振力關(guān)系提供了參考。

關(guān)鍵詞：CAESARⅡ；管道振動(dòng)；固有頻率；諧振分析；壓力脈動(dòng)

中圖分類號(hào)：TM611

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.011

收稿日期：2015-06-30。

作者簡介：張艷飛(1981-)，男，高級(jí)工程師，從事無損探傷、焊接、失效分析研究工作, E-mail: ketifeifei@163.com。

Abstract：The analysis of CAESAR Ⅱ results and pipe vibration test data have proved that the causes of pipe vibration could be relevant to unreasonable arrangement of pipe hangers and the lower first-order natural frequency of pipeline. Then effective measures were taken to solve the pipeline vibration fault. It is the first time in the country that the relationship between the displacement and the vapor pressure pipe was simulated with CAESARⅡ resonance analysis module. That may provide reference for the analysis of the relationship among pipe vibration frequency, amplitude and exciting force.

Keywords：CAESARⅡ; pipeline vibration; natural frequency; harmonic analysis; pressure pulsation

0引言

火電廠汽水管道振動(dòng)故障不僅降低管道和相連設(shè)備的使用壽命，并且危及機(jī)組運(yùn)行安全和運(yùn)行人員的生命安全[1]。國內(nèi)亞臨界、超臨界機(jī)組均發(fā)生過管道振動(dòng)故障[2～5]。管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ能夠?qū)艿肋M(jìn)行靜態(tài)載荷分析、動(dòng)態(tài)載荷分析[6、7]。但是，使用CAESARⅡ的動(dòng)態(tài)分析功能應(yīng)用于化工、石油行業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的相關(guān)研究應(yīng)用較多，而將CAESARⅡ動(dòng)態(tài)分析功能應(yīng)用于火力發(fā)電廠承壓振動(dòng)方面的研究應(yīng)用僅體現(xiàn)在脈沖類瞬態(tài)載荷，如安全閥載荷、水錘載荷、汽錘載荷、地震等方面。如文獻(xiàn)[8，9]分析了CAESARⅡ?qū)痣姀S主蒸汽管道和再熱蒸汽管道進(jìn)行安全閥排汽反力、汽錘力等力學(xué)計(jì)算和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)載荷分析。

目前，公開文獻(xiàn)中，未見使用CAESARⅡ在穩(wěn)態(tài)載荷下研究分析管道振動(dòng)的報(bào)道。本文使用CAESARⅡ的動(dòng)態(tài)分析功能對火電廠蒸汽管道穩(wěn)態(tài)振動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，利用計(jì)算結(jié)果對管道振動(dòng)提供治理措施參考。

1管道振動(dòng)原因分析

截止到2014年8月，型號(hào)為SG-690/13.7-M451的超高壓循環(huán)流化床鍋爐累計(jì)運(yùn)行39 000 h。該鍋爐過熱器中隔墻出口集箱與屏式過熱器入口集箱由2根對稱布置的管道(規(guī)格為Ф324×25 mm、材質(zhì)為SA-106C)連接。中隔墻至屏式過熱器連接管道(以下簡稱冷屏管道)工作溫度為358 ℃，工作壓力14.34 MPa。運(yùn)行中，該管道標(biāo)高29 300 mm的水平段存在振動(dòng)故障。

1.1　靜力分析

支吊架具有承受管道重力荷載、壓力荷載、位移荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、沖擊荷載、機(jī)械振動(dòng)荷載作用，同時(shí)具有合理約束管道位移、限制管道接口對所連接設(shè)備的推力和扭矩、增加管道的穩(wěn)定以及防止管道振動(dòng)等功能。

冷屏管道支吊架布置見圖1。圖1中，#1、#2、#6～#11、#15、#16為彈簧吊架，#3、#14為剛性吊架，#4、#5、#12、#13為徑向限位裝置。彈簧吊架、剛性吊架和限位裝置的冷態(tài)、熱態(tài)狀態(tài)均正常。

鑒于冷屏管道對稱布置，因此使用CAESARⅡ?qū)側(cè)冷屏管道進(jìn)行靜力計(jì)算，模型見圖2。經(jīng)計(jì)算，管道的最大一次應(yīng)力為其許用應(yīng)力的38.3%，最大二次應(yīng)力為其許用應(yīng)力的20.1%，均能夠滿足安全運(yùn)行要求。冷屏管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)熱態(tài)位移值見表1。

圖1　冷屏管道支吊架布置軸測圖

圖2　冷屏管道靜力計(jì)算模型

表1　冷屏管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)熱位移值

由表1知，A側(cè)冷屏管道節(jié)點(diǎn)90在DZ(垂直方向，“-”表示位移向下)方向的位移為-120.50 mm。結(jié)合圖1知，冷屏管道從標(biāo)高54 550 mm至標(biāo)高29 300 mm之間的垂直跨度為25 250 mm，且該垂直段在DZ方向上僅有1個(gè)剛性吊架，使得冷屏管道節(jié)點(diǎn)90處的DZ位移為-120.50 mm。雖然管道的各次應(yīng)力均合格，但冷屏管道在節(jié)點(diǎn)90處位移較大，且無相應(yīng)的位移補(bǔ)償裝置。

1.2　模態(tài)分析

模態(tài)分析目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，即固有頻率、主振型，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化提供依據(jù)。

1.2.1CAESARⅡ固有頻率計(jì)算

固有頻率信息表明管道對動(dòng)態(tài)載荷響應(yīng)的趨勢。如果系統(tǒng)的固有頻率與激振力的頻率接近，則系統(tǒng)易發(fā)生共振[10，11]。按照一般的規(guī)律，較高的固有頻率與較低的固有頻率相比，它對系統(tǒng)的破壞性較小。使用CAESARⅡ的連續(xù)質(zhì)量法對冷屏管道進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，其前5階固有頻率見表2，由表2可知管道一階固有頻率較低，不滿足DL/T 5054-1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》關(guān)于管道一階固有頻率應(yīng)大于3.5 Hz的要求。

表2　冷屏管道系統(tǒng)固有頻率

1.2.2ANSYS振型分析

使用ANSYS有限元方法對冷屏管道進(jìn)行振型分析。冷屏管道A側(cè)和B側(cè)對稱分布，B側(cè)冷屏管道振型分析模型見圖3。單元類型為殼單元，劃分單元數(shù)為10 932。冷屏管道一階振型、二階振型和三階振型見圖4～6。

圖3　ANSYS模態(tài)分析模型

圖4　一階振型

圖5　二階振型

由圖4～6知，冷屏管道在標(biāo)高29 300 mm水平段發(fā)生的振動(dòng)主要是一階振動(dòng)。因此，振動(dòng)治理的目標(biāo)是解決一階振動(dòng)。

1.2.3管道振動(dòng)測試

采用WVM2000型振動(dòng)分析系統(tǒng)對A側(cè)冷屏管道標(biāo)高29 300 mm的水平段進(jìn)行了測試。測試時(shí)，機(jī)組實(shí)時(shí)功率為165.1 MW(機(jī)組最大功率200 MW)。振動(dòng)測點(diǎn)A，B，C，D，E布置見圖7，測試結(jié)果見表3。測點(diǎn)C位移曲線和頻譜圖見圖8、圖9。

圖6　三階振型

圖7　冷屏管道振動(dòng)測點(diǎn)布置圖

由表3可知，冷屏管道標(biāo)高29 300 mm水平段的振動(dòng)是低頻高幅值振動(dòng)，其振動(dòng)頻率較低，與一階固有頻率接近。

表3　A側(cè)冷屏管道振動(dòng)測試結(jié)果

圖8　測點(diǎn)A頻譜圖

圖9　測點(diǎn)A位移曲線

1.3　CAESARⅡ動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析時(shí)，CAESARII把每一個(gè)管單元從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連續(xù)的梁單元轉(zhuǎn)化為兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的剛度。質(zhì)(節(jié))點(diǎn)的其他剛度被加到靜態(tài)分析模型中的固支、約束、支吊架和其他支撐上。在動(dòng)態(tài)模型中忽略轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩。CAESARII諧波載荷的特性曲線是在一個(gè)固定的周期內(nèi)，載荷以正弦曲線在最小到最大范圍內(nèi)變化?；痣姀S蒸汽管道系統(tǒng)的介質(zhì)經(jīng)高壓給水泵輸出后，雖然物理上已經(jīng)過鍋筒混合，但邏輯上仍然可以使用諧波曲線分析引發(fā)振動(dòng)的激振力和管道對激振力的位移響應(yīng)。

諧波載荷可以用函數(shù)來表示：

(1)

式中：A為平均力；B為力最大值和最小值相對平均力范圍的變化；ω為角頻率；φ為相位角。

汽水管道振動(dòng)理論認(rèn)為，蒸汽管道內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)時(shí)存在壓力脈動(dòng)，在流經(jīng)彎頭、閥門、節(jié)流孔等部位時(shí)產(chǎn)生周期性變化的壓差。該壓差在管道中產(chǎn)生不平衡的壓力載荷，稱為諧波力。使用諧振模塊分析管道振動(dòng)，關(guān)鍵是合理選用諧波力和激振頻率。諧波力使用下面公式計(jì)算，激振頻率則系統(tǒng)自動(dòng)在一定范圍內(nèi)變化：起始頻率1 Hz，頻率增量0.1 Hz，終止頻率10 Hz。

諧波力的計(jì)算公式：諧波力=1/2×壓力變化×作用面積=322.79 N。其中，壓力變化取汽包工作壓力的5%，即0.75 MPa；作用面積：彎頭內(nèi)弧面積在管道軸線方向的投影，即管道內(nèi)截面面積為860.79 mm2。

CAESARⅡ諧振分析功能可分析某激振頻率下，管道對激振力的位移響應(yīng)。激振頻率F=1.3 Hz時(shí)，管道的響應(yīng)位移見表4。激振頻率F=1.9 Hz時(shí)，管道的響應(yīng)位移見表5。

表4、表5的結(jié)果表明，激振頻率為1.3 Hz和1.9 Hz時(shí)，冷屏管道節(jié)點(diǎn)80～節(jié)點(diǎn)120水平段X向位移對激振力響應(yīng)強(qiáng)烈。CAESARII諧振分析結(jié)果與管道振動(dòng)測試結(jié)果有一定偏差，與模型參數(shù)、管道及其約束安裝偏差、機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷變化有關(guān)。

表4　F=1.3 Hz時(shí)管道響應(yīng)位移

2管道振動(dòng)治理

綜上分析，冷屏管道標(biāo)高29 300 mm段的支吊架布置不合理，使得冷屏管道整體柔性大、一階固有頻率低是造成冷屏管道振動(dòng)的主要原因。根據(jù)DL/T 5054-1996和DL/T292-2011的要求，應(yīng)采取有效措施對冷屏管道進(jìn)行振動(dòng)治理。

2.1　振動(dòng)治理措施

冷屏管道振動(dòng)的激振力來自蒸汽工質(zhì)運(yùn)行中產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，同時(shí)冷屏管道的一階固有頻率較低，管道對激振力響應(yīng)強(qiáng)烈。因此，治理冷屏管道振動(dòng)主要有兩種方式：消除引發(fā)管道振動(dòng)的激振力；提高管道約束，提高管道剛性和一階固有頻率。由于管道振動(dòng)激振力來自蒸汽工質(zhì)的壓力脈動(dòng)，因此該方法實(shí)施難度大，治理效果不確定。本次治理方案采取第2種方式。

振動(dòng)治理措施：改變管道約束以提高管道剛性和固有頻率，同時(shí)在適當(dāng)位置安裝阻尼減振器降低管道對激振力的響應(yīng)，從而達(dá)到減緩管道振動(dòng)的目的。

(1)安裝恒力彈簧吊架。在圖10中，A側(cè)H1點(diǎn)和B側(cè)的H2點(diǎn)處各安裝1套恒力彈簧吊架。使用CAESARⅡ計(jì)算確定恒力彈簧吊架型號(hào)為58V- 47C127 (120↓)/23-M30。

(2)安裝減振阻尼器。在圖10的A側(cè)Z1點(diǎn)和B側(cè)Z2點(diǎn)處各安裝1套X向ZN21C-C40X300-b-60型減振阻尼器。A側(cè)冷屏管道減振阻尼器安裝實(shí)物見圖11。

圖10　恒力彈簧和阻尼器安裝位置

圖11　A側(cè)管道減振阻尼器安裝圖

2.2　振動(dòng)治理評(píng)估

實(shí)施治理措施后，管道模態(tài)分析1～5階固有頻率見表6。振動(dòng)參數(shù)復(fù)測時(shí)，機(jī)組實(shí)時(shí)功率為152.5 MW，結(jié)果見表7。一階固有頻率由1.312 Hz提高到3.523 Hz，管道各點(diǎn)X向的振動(dòng)幅值均明顯下降，并且各點(diǎn)X向的振動(dòng)峰值速度均小于DL/T 292-2011《火力發(fā)電廠汽水管道振動(dòng)控制導(dǎo)則》規(guī)定的極限值12.4 mm/s。

表6　冷屏管道振動(dòng)治理后固有頻率

表7　冷屏管道X向振動(dòng)測試

3結(jié)論

(1)結(jié)合有限元計(jì)算和現(xiàn)場測試結(jié)果，查明過熱器冷屏管道振動(dòng)原因?yàn)楣艿乐У跫懿贾貌缓侠?、管道一階固有頻率低，并采取改變管道約束、剛性和增加阻尼的措施解決了管道振動(dòng)故障。

(2)使用CAESARⅡ諧振分析功能對火電廠蒸汽管道壓力脈動(dòng)載荷進(jìn)行激振力、激振頻率和位移響應(yīng)分析，并通過與振動(dòng)測試結(jié)果對比驗(yàn)證了其模擬結(jié)果的有效性和正確性。對管道系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析，可以提高管道振動(dòng)分析的效率和便利性，是對試驗(yàn)方法的補(bǔ)充。

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Study on Excessive Vibration Analysis and Treatment of Steam Pipe in Power Plant

Zhang Yanfei, Wang Yingjun, Chen Hao

(Metal Material Technical Research Department, Inner Mongolia Electric Power Science Research Institute, Huhhot 010020, China )