火电厂给水管道、蒸汽管道、疏水管道等汽水管道主要用于连接锅炉和汽轮机及其附属设备,是实现热能转换为机械能的重要部件,对于机组的安全稳定运行至关重要。在运行过程中,如果汽水管道发生异常振动,将可能导致管道自身及与阀门、集箱、联络管道、高中压主汽门等部件的连接部位疲劳损坏,甚至泄漏,严重影响机组的安全稳定运行,危及操作人员的生命安全^{[1, 2, 3, 4]}。本文从火电厂管道布置、运行、约束等方面对管道的振动原因进行分析,提出相应的消振措施,为消除汽水管道振动故障提供参考。1 火电厂汽水管道振动原因分析

根据管道振动理论分析,管道、支吊架、阀门以及与之相连接的各种设备构成了一个复杂的机械结构系统,在存在激振力的情况下,该系统将产生振动^[5]。在火电厂中,汽水管道振动的激振力主要来自介质流动产生的复杂作用力。管道对激振力的响应程度受管道结构、安装布置、管道支撑与约束、实际运行工况和运行操作等因素影响。

按照振动持续时间划分,火电厂汽水管道振动类型分为稳态振动和瞬态振动2种^[6]。引发汽水管道稳态振动和瞬态振动的常见原因有:管道固有频率低、管道输送介质压力变化、管道两相介质紊流、管道发生水击、机组运行方式安排不合理或运行人员操作不当引发管道振动、管道连接设备工作不正常造成管道振动、地震载荷或风载荷引发管道瞬态振动。其中,支吊架设计、安装、调整问题是造成管道固有频率低的最常见原因。

此外,为了保证管道具有良好的热胀补偿性能,火电厂汽水管道采用多吊架的柔性设计。该种设计形式致使管道的一阶固有频率较低,抗振性能下降。汽水管道支吊架设计不仅要满足强度条件,而且应满足一定的刚度条件。依据《DL/T 5054-1996火力发电厂汽水管道设计技术规定》^[7]要求,管道的一阶固有频率应大于3.5 Hz,即单跨管道按简支梁计算,其最大挠度值不应大于2.62 mm^[8]。然而在工程实际应用中,由于设计变更、施工安装、载荷分配不合理以及长期运行损坏等原因,造成机组管道的应力分布不合理,刚度不符合要求,导致管道一阶固有频率不符合相关规程要求,成为管道振动的主要原因。2 消振措施

经分析,主要应从抑制振源、改变管道自身特性和安装吸振或减振装置3方面进行火电厂汽水管道振动治理。针对激振力的来源不同,消振措施如下。2.1 激振力来源明确

在能够查明激振力来源的情况下,采取有效措施抑制或消除外界振源及管道自身激振力,可从根源上消除管道振动问题。

(1) 若与管道连接的往复泵周期性转动引起管道随泵周期性振动,或弯头、三通、调整阀门、节流孔等与管道紧密连接的管件布置不合理,也将导致介质压力变化而产生激振力。上述问题可通过优化布置管件来解决。

(2) 若由于机组运行方式或运行人员操作不当引起的管道瞬态振动,如快速关闭和打开阀门引发的水锤、汽锤,通过调整运行方式、操作方式和次序,可彻底解决上述振动问题。2.2 激振力来源不明或激振力无法减小

在不能够查明激振力来源或无法减小激振力的情况下,可以通过改变管道自身特性,即从结构研究的角度来降低管道对激振力的响应程度。

解决该类型管道振动的常见措施有:改变管道的固有频率,从而避免共振现象的发生,降低管道对激振力的响应程度,减小管道振动;安装吸振装置,通过吸振装置的反作用力抵消部分振动能量,减少了振动能量在管道上的分配,常用的吸振装置有动力减振器、摆式吸振器等;安装阻振阻尼器,通过消耗能量使响应程度降低;也可采用外加阻尼材料的方法来适当增加系统的阻尼,利用阻尼来消耗振动的能量。

图 1为火电厂汽水管道常用的阻振装置。

图 1(Figure 1)

图 1 火电厂汽水管道常用的阻振装置

火电厂汽水管道常用的阻振装置内蒙古某热电厂2号炉为无锡华光锅炉股份有限公司生产的UG-480/13.7-M型超高压、自然循环、高温绝热旋风分离器、中间再热循环流化床燃煤锅炉,于2008年5月投产发电。机组自投运以来,2号炉高压给水管道电动调整门前水平段(编号为12号-15号的支吊架之间管段) Z向长期存在目视可见的低频振动。3.1 管道振动原因排查

2012年12月至2013年7月,对2号机组高压给水管道支吊架进行了冷态和热态检查,并结合管系静力计算结果对管道的振动原因进行排查。3.1.1 静力计算分析

为保证高压给水管道在运行中具有足够柔性,并能够安全承受管道冷态和热态荷载、约束管道热态位移、限制管道接口对高压给水泵、省煤器入口集箱、高压加热器等设备的推力和扭矩,保证管道运行稳定,在高压给水管道设计时采用了弹簧支吊架、刚性支吊架、限位支吊架等。常见管道支吊架约束类型如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 管道支吊架约束示意图

在运行过程中,高压给水管道的支吊架不仅需要承受管道重力荷载(包括管道自重、保温质量、介质质量等),还可能需要承受位移荷载(管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等)、风荷载、地震荷载、瞬变流冲击荷载(如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击)。支吊架状态是高压给水管道系统应力和安全性的核心控制因素,决定了管道一次应力和二次应力水平。一次应力是指管道在内压、自重和其他持续外载(包括支吊架反力等)作用下所产生的应力;二次应力是指管道在热胀冷缩或其他位移受约束时产生的应力。

根据《ASME B31.1-2004动力管道》^[9]规范对管道系统的应力进行校核,利用CAESARⅡ软件建模,输入管道直径、壁厚、阀门、保温材料以及运行工况、支吊架等参数,选择合适的边界条件后可对高压给水管道与支吊架组成系统的静态载荷、冷热态位移、设备接口推力进行计算,得出管道在不同运行工况下的位移、约束载荷、应力和弹簧表等,为汽水管道振动问题的分析和解决提供数据。高压给水管道设计参数见表 1,支吊架布置示意图如图 3所示。

表 1(Table 1)

表 1 高压给水管道设计参数

表 1 高压给水管道设计参数

图 3(Figure 3)

图 3 高压给水管道支吊架布置示意图

利用CAESARⅡ软件对高压给水管道进行静力计算,结果见图 4、图 5所示。

图 4(Figure 4)

图 4 一次应力计算结果

图 5(Figure 5)

图 5 二次应力计算结果

由高压给水管道应力校核计算结果可知,管系最大一次应力为其允许值的70.4%,最大二次应力为其允许应力的60.5%。由此可知,若管系中各支吊架处于正常工作状态,其各次应力均能满足管道安全运行的要求,管系静态应力合格。3.1.2 振动测试

采用WVM2000系统对13号支吊架位置的高压给水管道进行振动测试,测试结果见表 2所示。

表 2(Table 2)

表 2 13号支吊架位置管道振动测试结果1）

表 2 13号支吊架位置管道振动测试结果1）

依据《DL/T 292-2011火力发电厂汽水管道振动控制导则》^[10],结合表 2测试结果,判定该管道属于稳态振动的振动等级1(WZD1)。最大峰值振动速度v=2πfA,其中,f为振动频率,A为振动峰值。经计算,管段Z向最大峰值振动速度为19.61 mm/s,大于标准限值12.4 mm/s。根据DL/T 292-2011要求,应对高压给水管道进行振动治理。3.1.3 支吊架检查

某热电厂在机组检修期间,对高压给水管道支吊架进行了冷态和热态检查。根据管道支吊架检查结果(见表 3)和静力计算结果,可知编号为11号、13号、16号的弹簧支吊架和刚性支吊架存在故障,且13号刚性支吊架安装方向错误。结合高压给水管道的振动特点,可确定引起管道振动的主要原因是管道支吊架安装错误,导致管道刚性不足,在管道内部介质扰动下最终发生振动。

表3(Table 3)

表 3 某热电厂支吊架检查结果及振动治理措施

表 3 某热电厂支吊架检查结果及振动治理措施

按照高压给水管道支吊架的设计选型和静力计算结果,对该管道进行振动治理。具体方法如下:正确调整支吊架,加强管道约束,提高管道刚性以减小管道振动响应。管道振动治理措施见表3所示。

对高压给水管道振动进行治理后,再次在同一位置进行振动测试。测试结果显示:原存在振动的管段Z向振动频率提高至3.583 Hz,振动幅值降低至0.182 mm,满足了DL/T 292-2011中有关最大峰值振动速度的要求,能够确保给水管道的安全稳定运行。4 结语

结合CAESARⅡ软件的静力计算结果和现场振动测试数据,查明某热电厂高压给水管道振动原因为支吊架故障,导致管道柔性过大,在管道内部介质扰动下发生振动。依据DL/T 292-2011相关条款,对高压给水管道进行振动治理,通过采取调整支吊架、改变管道约束的措施解决了管道振动问题。