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火電廠汽水管道振動原因及消振措施分析

文檔作者：張艷飛，謝利明，張靜文檔來源：內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年09月26日
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2015年第33卷第4期
內(nèi)蒙古電力技術(shù)
INNER M0NG0LIA ELECTRIC POWER
doi：10．3969~．issn．1008-6218．2015．04．003
火電廠汽水管道振動原因及消振措施分析
張艷飛，謝利明，張靜
(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特010020)
摘要：根據(jù)火電廠汽水管道布置和運行特點，分析了管道振動原因及消振措施。根據(jù)相
關(guān)規(guī)程，結(jié)合內(nèi)蒙古某熱電廠高壓給水管道振動實例，利用CAESAR 1I軟件對管道靜力進(jìn)行
計算，并根據(jù)振動測試結(jié)果，分析確定高壓給水管道振動是由于剛性支吊架安裝錯誤，導(dǎo)致管
道剛性不足，在管道內(nèi)部介質(zhì)擾動下最終發(fā)生振動。經(jīng)治理，消除了管道振動故障，保證了管
道安全穩(wěn)定運行。
關(guān)鍵詞：汽水管道；振動；消振措施；激振力；靜力計算；支吊架
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 中圖分類號：TK223．3
文章編號：1008-6218(2015)04-0023一o4
Cause Analysis of Steam-water Pipes Vibration and Measures
to Eliminate Vibration in Thermal Power Plant
ZHANG Yanfei，XIE Liming，ZHANG Jing
(Inner Mongolia Power Research Institute，Hohhot 010020，China)
0 引言
火電廠給水管道、蒸汽管道、疏水管道等汽水
管道主要用于連接鍋爐和汽輪機及其附屬設(shè)備，是
實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機械能的重要部件，對于機組的安
全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。在運行過程中，如果汽水管
道發(fā)生異常振動，將可能導(dǎo)致管道自身及與閥門、
集箱、聯(lián)絡(luò)管道、高中壓主汽門等部件的連接部位
疲勞損壞，甚至泄漏，嚴(yán)重影響機組的安全穩(wěn)定運
行，危及操作人員的生命安全n 。本文從火電廠管
道布置、運行、約束等方面對管道的振動原因進(jìn)行
分析，提出相應(yīng)的消振措施，為消除汽水管道振動
故障提供參考。
1 火電廠汽水管道振動原因分析
根據(jù)管道振動理論分析，管道、支吊架、閥門以
及與之相連接的各種設(shè)備構(gòu)成了一個復(fù)雜的機械
[收稿日期1 2015—03—05
[作者簡介1張艷飛(1981)，男，內(nèi)蒙古人，碩士，高級T程師，從事火電廠鍋爐和壓力容器的無損探傷、焊接、失效分析丁作。
內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2015年第33卷第4期
結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在存在激振力的情況下，該系統(tǒng)將產(chǎn)生
振動 。在火電廠中，汽水管道振動的激振力主要
來自介質(zhì)流動產(chǎn)生的復(fù)雜作用力。管道對激振力
的響應(yīng)程度受管道結(jié)構(gòu)、安裝布置、管道支撐與約
束、實際運行工況和運行操作等因素影響。
按照振動持續(xù)時間劃分，火電廠汽水管道振動
類型分為穩(wěn)態(tài)振動和瞬態(tài)振動2種I 。引發(fā)汽水管
道穩(wěn)態(tài)振動和瞬態(tài)振動的常見原因有：管道固有頻
率低、管道輸送介質(zhì)壓力變化、管道兩相介質(zhì)紊流、
管道發(fā)生水擊、機組運行方式安排不合理或運行人
員操作不當(dāng)引發(fā)管道振動、管道連接設(shè)備工作不正
常造成管道振動、地震載荷或風(fēng)載荷引發(fā)管道瞬態(tài)
振動。其中，支吊架設(shè)計、安裝、調(diào)整問題是造成管
道固有頻率低的最常見原因。
此外，為了保證管道具有良好的熱脹補償性
能，火電廠汽水管道采用多吊架的柔性設(shè)計。該種
設(shè)計形式致使管道的一階固有頻率較低，抗振性能
下降。汽水管道支吊架設(shè)計不僅要滿足強度條件，
而且應(yīng)滿足一定的剛度條件。依據(jù)《D 5054—
1996火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》【71要求，管
道的一階固有頻率應(yīng)大于3．5 Hz，即單跨管道按簡
支梁計算，其最大撓度值不應(yīng)大于2．62 mm[ 。然而
在T程實際應(yīng)用中，由于設(shè)計變更、施工安裝、載荷
分配不合理以及長期運行損壞等原因，造成機組管
道的應(yīng)力分布不合理，剛度不符合要求，導(dǎo)致管道
一階固有頻率不符合相關(guān)規(guī)程要求，成為管道振動
的主要原因。
2 消振措施
經(jīng)分析，主要應(yīng)從抑制振源、改變管道自身特
性和安裝吸振或減振裝置3方面進(jìn)行火電廠汽水管
道振動治理。針對激振力的來源不同，消振措施如
下。
2．1 激振力來源明確
在能夠查明激振力來源的情況下，采取有效措
施抑制或消除外界振源及管道自身激振力，可從根
源上消除管道振動問題。
(1)若與管道連接的往復(fù)泵周期性轉(zhuǎn)動引起
管道隨泵周期性振動，或彎頭、三通、調(diào)整閥門、節(jié)
流孔等與管道緊密連接的管件布置不合理，也將導(dǎo)
致介質(zhì)壓力變化而產(chǎn)生激振力。上述問題可通過
優(yōu)化布置管件來解決。
(2)若由于機組運行方式或運行人員操作不
當(dāng)引起的管道瞬態(tài)振動，如快速關(guān)閉和打開閥門引
發(fā)的水錘、汽錘，通過調(diào)整運行方式、操作方式和次
序，可徹底解決上述振動問題。
2．2 激振力來源不明或激振力無法減小
在不能夠查明激振力來源或無法減小激振力
的情況下，可以通過改變管道自身特性，即從結(jié)構(gòu)
研究的角度來降低管道對激振力的響應(yīng)程度。
解決該類型管道振動的常見措施有：改變管道
的固有頻率，從而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，降低管道
對激振力的響應(yīng)程度，減小管道振動；安裝吸振裝
置，通過吸振裝置的反作用力抵消部分振動能量，
減少了振動能量在管道上的分配，常用的吸振裝置
有動力減振器、擺式吸振器等；安裝阻振阻尼器，通
過消耗能量使響應(yīng)程度降低；也可采用外加阻尼材
料的方法來適當(dāng)增加系統(tǒng)的阻尼，利用阻尼來消耗
振動的能量。
圖1為火電廠汽水管道常用的阻振裝置。
圖1 火電廠汽水管道常用的阻振裝置
3 高壓給水管道振動治理實例
內(nèi)蒙古某熱電廠2號爐為無錫華光鍋爐股份有
限公司生產(chǎn)的UG一480／13．7一M型超高壓、自然循
環(huán)、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、中問再熱循環(huán)流化床燃
煤鍋爐，于2008年5月投產(chǎn)發(fā)電。機組自投運以
來，2號爐高壓給水管道電動調(diào)整門前水平段(編號
為12號一15號的支吊架之間管段)Z向長期存存|1
視可見的低頻振動。
3．1 管道振動原因排查
2012年12月至2013年7月，對2號機組高壓給
水管道支吊架進(jìn)行了冷態(tài)和熱態(tài)檢查，并結(jié)合管系
靜力計算結(jié)果對管道的振動原因進(jìn)行排查。
3．1．1 靜力計算分析
為保證高壓給水管道在運行中具有足夠柔性，
并能夠安全承受管道冷態(tài)和熱態(tài)荷載、約束管道熱
態(tài)位移、限制管道接口對高壓給水泵、省煤器入口
2015年第33卷第4期 張艷飛，等：火電廠汽水管道振動原因及消振措施分析
集箱、高壓加熱器等設(shè)備的推力和扭矩，保證管道
運行穩(wěn)定，在高壓給水管道設(shè)計時采用了彈簧支吊
架、剛性支吊架、限位支吊架等。常見管道支吊架
約束類型如圖2所示。
圖2 管道支吊架約束示意圖
點
在運行過程中，高壓給水管道的支吊架不僅需
要承受管道重力荷載(包括管道自重、保溫質(zhì)量、介
質(zhì)質(zhì)量等)，還可能需要承受位移荷載(管道熱脹冷
縮位移、端點附加位移、支承沉降等)、風(fēng)荷載、地震
荷載、瞬變流沖擊荷載(如安全閥啟跳或閥門的快
速啟閉時的壓力沖擊)。支吊架狀態(tài)是高壓給水管
道系統(tǒng)應(yīng)力和安全性的核心控制因素，決定了管道
一次應(yīng)力和二次應(yīng)力水平。一次應(yīng)力是指管道在
內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載(包括支吊架反力等)作
用下所產(chǎn)生的應(yīng)力；二次應(yīng)力是指管道在熱脹冷縮
或其他位移受約束時產(chǎn)生的應(yīng)力。
根據(jù)(ASME B3 1．1—20o4動力管道》 規(guī)范對管
道系統(tǒng)的應(yīng)力進(jìn)行校核，利用CAESARⅡ軟件建模，
輸人管道直徑、壁厚、閥門、保溫材料以及運行工
況、支吊架等參數(shù)，選擇合適的邊界條件后可對高
壓給水管道與支吊架組成系統(tǒng)的靜態(tài)載荷、冷熱態(tài)
位移、設(shè)備接口推力進(jìn)行計算，得出管道在不同運
行工況下的位移、約束載荷、應(yīng)力和彈簧表等，為汽
水管道振動問題的分析和解決提供數(shù)據(jù)。高壓給
水管道設(shè)計參數(shù)見表1，支吊架布置示意圖如圖3所
示。
表1 高壓給水管道設(shè)計參數(shù)
參數(shù) 數(shù)值
管道規(guī)格(直徑×壁厚)／mmxmm
管道材質(zhì)
壓力／MPa
溫度，℃
保溫材料
保溫材料厚度／mm
圖3 高壓給水管道支吊架布置示意圖
利用CAESARⅡ軟件對高壓給水管道進(jìn)行靜力
計算，結(jié)果見圖4、圖5所示。
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圖4 一次應(yīng)力計算結(jié)果
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圖5 二次應(yīng)力計算結(jié)果
由高壓給水管道應(yīng)力校核計算結(jié)果可知，管系
最大一次應(yīng)力為其允許值的70．4％，最大二次應(yīng)力
為其允許應(yīng)力的60．5％。由此可知，若管系中各支
吊架處于正常工作狀態(tài)，其各次應(yīng)力均能滿足管道
安全運行的要求，管系靜態(tài)應(yīng)力合格。
3．1．2 振動測試
采用WVM2000系統(tǒng)對l3號支吊架位置的高壓
給水管道進(jìn)行振動測試，測試結(jié)果見表2所示。
內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2015年第33卷 4jtjJ
表2 13號支吊架位置管道振動測試結(jié)果
注：1)機組最大功率為135MW ，測試時2號機組的實時功率為
l15．1 MW 。
依據(jù)(Dt／r 292—201l火力發(fā)電廠汽水管道振
動控制導(dǎo)則》n ，結(jié)合表2測試結(jié)果，判定該管道屬
于穩(wěn)態(tài)振動的振動等級1(wzD1)。最大峰值振動
速度v=2'rrfA，其中，廠為振動頻率，A為振動峰值。經(jīng)
計算，管段z向最大峰值振動速度為19．61 mm／s，大
于標(biāo)準(zhǔn)限值12．4 mm／s。根據(jù)DL／T 292—20l 1要求，
應(yīng)對高壓給水管道進(jìn)行振動治理。
3．1．3 支吊架檢查
某熱電廠在機組檢修期間，對高壓給水管道支
吊架進(jìn)行了冷態(tài)和熱態(tài)檢查。根據(jù)管道支吊架檢
查結(jié)果(見表3)和靜力計算結(jié)果，可知編號為11號、
13號、l6號的彈簧支吊架和剛性支吊架存在故障，
且l3號剛性支吊架安裝方向錯誤。結(jié)合高壓給水
管道的振動特點，可確定引起管道振動的主要原因
是管道支吊架安裝錯誤，導(dǎo)致管道剛性不足，在管
道內(nèi)部介質(zhì)擾動下最終發(fā)生振動。
3．2 管道振動治理及成效
按照高壓給水管道支吊架的設(shè)計選型和靜力
計算結(jié)果，對該管道進(jìn)行振動治理。具體方法如
下：正確調(diào)整支吊架，加強管道約束，提高管道剛性
以減小管道振動響應(yīng)。管道振動治理措施見表3所
示。
對高壓給水管道振動進(jìn)行治理后，再次在同一
位置進(jìn)行振動測試。測試結(jié)果顯示：原存在振動的
管段z向振動頻率提高至3．583 Hz，振動幅值降低
至0．182 mm，滿足了DUT 292—2011中有關(guān)最大峰
值振動速度的要求，能夠確保給水管道的安全穩(wěn)定
運行。
4 結(jié)語
結(jié)合CAESARⅡ軟件的靜力計算結(jié)果和現(xiàn)場振
動測試數(shù)據(jù)，查明某熱電廠高壓給水管道振動原
為支吊架故障，導(dǎo)致管道柔性過大，在管道內(nèi)部介
質(zhì)擾動下發(fā)生振動。依據(jù)DL／T 292—201 l相關(guān)條
款，對高壓給水管道進(jìn)行振動治理，通過采取調(diào)整
支吊架、改變管道約束的措施解決了管道振動問
題
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