許 堯，朱子豪

(國(guó)家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327)

0 引言

通常情況下，管道振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致支吊架松動(dòng)失效，對(duì)連接的設(shè)備產(chǎn)生附加推力，容易導(dǎo)致電廠汽水管道局部發(fā)生疲勞、損耗，甚至造成設(shè)備的損害，影響電廠安全生產(chǎn)運(yùn)行。因此，查找分析振動(dòng)原因并予以及時(shí)有效的治理對(duì)于提升機(jī)組運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。

1 機(jī)組概況

某公司一期2臺(tái)1000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組為超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，鍋爐采用П型布置、單爐膛、一次中間再熱、反向雙切圓燃燒方式。

鍋爐的汽水流程以?xún)?nèi)置式汽水分離器為分界點(diǎn)，從水冷壁入口集箱到汽水分離器為水冷壁系統(tǒng)，從汽水分離器出口到過(guò)熱器出口集箱為過(guò)熱器系統(tǒng)，在兩支汽水分離器蒸汽引出的平衡連通管中裝有6只過(guò)熱器入口彈簧式安全閥。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)分離器平衡連通管發(fā)生頻繁振動(dòng)，并且平衡管上的安全閥修理完畢后半年內(nèi)頻繁發(fā)生內(nèi)漏，給設(shè)備的檢修治理帶來(lái)了困難。

2 管路振動(dòng)情況

2.1 管路布置

該公司電廠分離器平衡管路實(shí)際長(zhǎng)度約6 m，管路中部設(shè)置1根恒力吊架，中部?jī)蓚?cè)各設(shè)置1個(gè)彈簧吊架，用于支撐載荷、平衡受力，同時(shí)6只安全閥均衡分布在平衡管路上。

2.2 管路振動(dòng)現(xiàn)狀

機(jī)組運(yùn)行時(shí)管路存在振動(dòng)，同時(shí)管路上安全閥和閥門(mén)附近格柵板也存在著長(zhǎng)期的振動(dòng)；結(jié)合檢修情況，發(fā)現(xiàn)閥芯密封面存在吹損，螺栓法蘭出現(xiàn)振動(dòng)松動(dòng)情況。該電廠按照檢修計(jì)劃要求定期對(duì)安全閥進(jìn)行在線校驗(yàn)和檢修，不存在壓力整定問(wèn)題造成安全閥內(nèi)漏的情況。管路介質(zhì)蒸汽溫度在430 ℃左右，且為分離器上部平衡管，不存在氣液兩相問(wèn)題，同時(shí)過(guò)、再熱系統(tǒng)均為同類(lèi)型安全閥，未發(fā)生頻繁內(nèi)漏現(xiàn)象。故綜合分析認(rèn)為，閥門(mén)內(nèi)漏與管路振動(dòng)可能存在一定關(guān)聯(lián)，是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行一大隱患。

3 振動(dòng)原因分析與測(cè)試

3.1 管道振動(dòng)原因分類(lèi)

電廠管系的激振力來(lái)自系統(tǒng)自身因素和系統(tǒng)外因素。系統(tǒng)自身因素為與管道直接相連接的泵等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)、管內(nèi)流體動(dòng)量瞬時(shí)突變、流體通過(guò)泄放閥和管道內(nèi)流體的不穩(wěn)定流動(dòng)等引起的振動(dòng)，系統(tǒng)外因素為地震載荷、風(fēng)載荷等，主要分為以下幾類(lèi)。

3.1.1 機(jī)械振動(dòng)

管道連接轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械如汽輪機(jī)、往復(fù)式機(jī)械泵、壓縮機(jī)等，受到端口傳遞來(lái)的周期性激振力引起管道振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)引起的管道振動(dòng)可以通過(guò)機(jī)械振動(dòng)頻率和管道振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比確認(rèn)振動(dòng)原因。

3.1.2 流體脈動(dòng)壓力

由于往復(fù)式泵或壓縮機(jī)的吸氣排液是周期性、間歇性的，因此管道內(nèi)流體的流速忽快忽慢、壓力忽高忽低，形成了一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，這種周期性的壓力脈動(dòng)對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生周期性的激振力引起管道振動(dòng)。這種振動(dòng)可以通過(guò)壓力檢測(cè)點(diǎn)的壓力變化和振動(dòng)采集圖像的對(duì)比確定。

3.1.3 氣液兩相流

流體在流經(jīng)管路或節(jié)流元件時(shí)，遇到局部壓力突降至飽和壓力以下的情況下，部分流體會(huì)氣化(閃蒸)，產(chǎn)生氣泡形成真空，氣泡在受到外壓擠壓破裂，沖刷管壁，造成管道高頻振動(dòng)，并將管道內(nèi)壁沖刷成蜂窩狀，即汽蝕現(xiàn)象。

當(dāng)壓力繼續(xù)降低，隨著氣液兩相之間的比率變化，形成兩相流，不同的兩相流流動(dòng)狀態(tài)會(huì)形成不同的壓力波，從而導(dǎo)致不同程度的管道振動(dòng)和噪聲?？筛鶕?jù)管道前后元件和管道結(jié)構(gòu)，結(jié)合振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判斷。

3.1.4 流體高速振動(dòng)

當(dāng)流體流經(jīng)減壓閥、安全閥、噴嘴或其他節(jié)流元件時(shí)，流體的流速急劇增大，達(dá)到或接近臨界狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)(紊流)，在其沖擊下管道系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)并伴有噪聲。高速流引起的振動(dòng)一般都表現(xiàn)為高頻振動(dòng)且伴有噪聲。紊流也有可能是經(jīng)過(guò)管道中的障礙物或者通過(guò)變徑管道時(shí)產(chǎn)生的，紊流引起振動(dòng)的幅值和頻率是不穩(wěn)定的，當(dāng)雷諾數(shù)Re超出2800時(shí)，并伴有較大噪聲時(shí)，可認(rèn)為是紊流導(dǎo)致振動(dòng)。

3.1.5 流體瞬變沖擊

當(dāng)管道內(nèi)流體流量發(fā)生瞬時(shí)突然變化時(shí)，例如管道系統(tǒng)中閥門(mén)的快速開(kāi)啟或關(guān)閉，高溫或低溫流體急速流入管道并在管道內(nèi)急速加熱或冷卻而產(chǎn)生相當(dāng)大的高壓或負(fù)壓時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力波迅速傳播，對(duì)管道產(chǎn)生巨大的沖擊力，引起管道的強(qiáng)烈振動(dòng)，也就是水錘或汽錘。

水、汽錘的沖擊力一般較大，一般會(huì)對(duì)管道沿線的支吊架形成較大的損傷，也較容易在現(xiàn)場(chǎng)找到?jīng)_擊痕跡，并且可以通過(guò)實(shí)時(shí)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊信號(hào)。

3.1.6 管道結(jié)構(gòu)缺陷

個(gè)別管道支吊架失效會(huì)引起管道系統(tǒng)受力的重新分布，從而導(dǎo)致部分支吊架過(guò)載或欠載，引起管道振動(dòng)。因此，管道設(shè)計(jì)除了靜力設(shè)計(jì)還需考慮動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，既要有足夠的柔性來(lái)保證熱膨脹不會(huì)引起應(yīng)力超標(biāo)，也要有足夠的剛性來(lái)保證柔道擾動(dòng)時(shí)不易發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)設(shè)計(jì)存在缺陷或現(xiàn)場(chǎng)施工存在缺陷時(shí)，也會(huì)引發(fā)管道振動(dòng)，且通常表現(xiàn)為低頻振動(dòng)。

管道支吊架的失效或管道設(shè)計(jì)缺陷可以通過(guò)支吊架的排查和管系設(shè)計(jì)復(fù)核來(lái)發(fā)現(xiàn)。

3.2 原因分析

(1) 由于管路介質(zhì)蒸汽溫度為430 ℃左右，且為分離器上部平衡管，不存在氣液兩相問(wèn)題，因此不會(huì)存在由于氣液兩相流原因造成管路的振動(dòng)。

(2) 由于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，分離器平衡連通管中流量參數(shù)穩(wěn)定，處于一種平衡狀態(tài)，不存在由于工質(zhì)流量反復(fù)變化造成管道系統(tǒng)壓力周期性變化而產(chǎn)生的強(qiáng)烈管道振動(dòng)。

(3) 假設(shè)是由于工質(zhì)流經(jīng)安全閥，通過(guò)管道變徑造成節(jié)流引起的紊流振動(dòng)，根據(jù)上述振動(dòng)分類(lèi)分析，該種振動(dòng)一般表現(xiàn)為高頻振動(dòng)。而實(shí)際上根據(jù)該處的振動(dòng)頻率分析，發(fā)現(xiàn)為低頻振動(dòng)，且過(guò)熱器系統(tǒng)同類(lèi)型大口徑管道也安裝了同種結(jié)構(gòu)的安全閥，未發(fā)現(xiàn)有這種振動(dòng)情況，故該種假設(shè)不成立。

結(jié)合上述的振動(dòng)原因分析與機(jī)組檢修情況，根據(jù)機(jī)組熱態(tài)現(xiàn)場(chǎng)勘察的結(jié)果，振動(dòng)產(chǎn)生的可能原因主要包括以下幾種。

(1) 流體在通過(guò)彎頭時(shí)可能產(chǎn)生激振力。

(2) 平衡管兩側(cè)壓力失衡，導(dǎo)致管內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，從而引起振動(dòng)。

(3) 該管系局部位置可能存在支吊架失效、失載，或管道柔性太大，引起振動(dòng)。

3.3 驗(yàn)證測(cè)試

針對(duì)上述分析，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

(1) 針對(duì)上述第1個(gè)可能的原因，在不同負(fù)荷(750 MW和1000 MW)工況下，對(duì)彎頭處、平衡管中部的振動(dòng)進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)彎頭處與平衡管中部處振動(dòng)值無(wú)明顯偏差，均存在著低頻振動(dòng)，而不是彎頭部位存在局部周期性的高頻激振，說(shuō)明整個(gè)管系存在普遍振動(dòng)情況。

(2) 針對(duì)上述第2個(gè)可能的原因，結(jié)合DCS數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)工況(750 MW和1000 MW)下平衡管兩側(cè)的壓力進(jìn)行記錄和對(duì)比，并測(cè)試各個(gè)工況下的振動(dòng)情況，未發(fā)現(xiàn)平衡管兩側(cè)壓力有失衡現(xiàn)象。

(3) 針對(duì)上述第3個(gè)可能的原因，檢查對(duì)比冷熱態(tài)支吊架的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)管道的兩端彈簧吊架有失載的現(xiàn)象，基本確定了振動(dòng)產(chǎn)生的原因?yàn)楣艿啦糠种У跫艽嬖谑?，管道結(jié)構(gòu)整體剛度發(fā)生變化，在受到流體激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生了振動(dòng)。

通過(guò)振動(dòng)測(cè)試可知，平衡管道在運(yùn)行功率達(dá)到900 MW時(shí)振動(dòng)最大，振動(dòng)最大峰值為120 mm/s，主振頻率為10 Hz。管道振動(dòng)速度較大，且主要表現(xiàn)為低頻振動(dòng)，根據(jù)上述管道振動(dòng)原因分類(lèi)，確定管道振動(dòng)的原因?yàn)楣艿澜Y(jié)構(gòu)整體剛度的缺陷。

4 振動(dòng)治理及成效

4.1 處理方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況及測(cè)試結(jié)果，該處振動(dòng)表現(xiàn)為低頻振動(dòng)，確定了以下主要治理措施。

(1) 檢修期間對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的失效、失載的彈簧支吊架進(jìn)行恢復(fù)和緊固。

(2) 平衡管路管線較長(zhǎng)，同時(shí)彈簧吊架在長(zhǎng)期熱態(tài)運(yùn)行條件下若出現(xiàn)失載情況，勢(shì)必加劇低頻振動(dòng)，故考慮在管道上加裝阻尼器來(lái)吸收低頻振動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在平衡管兩側(cè)增加2個(gè)三向阻尼器。阻尼器安裝在室外鍋爐側(cè)，其工作溫度基本為周?chē)氖彝鉁囟龋s-10～40 ℃。根據(jù)阻尼液對(duì)溫度的適應(yīng)要求，選擇RHY型阻尼器；根據(jù)阻尼系數(shù)和振動(dòng)頻率，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，選擇RHY-320型阻尼器，基本滿(mǎn)足要求。

4.2 治理后振動(dòng)測(cè)試

按照治理方案施工后，測(cè)試顯示，在機(jī)組900 MW功率時(shí)管道振動(dòng)峰速由120 mm/s降至60 mm/s，振動(dòng)降幅達(dá)50 %。治理后，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中安全閥也未再出現(xiàn)頻繁的內(nèi)漏現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查及各工況下的振動(dòng)測(cè)試分析，通過(guò)恢復(fù)失載支吊架、增設(shè)阻尼器的方式，改變了管系結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了振動(dòng)治理方案的有效性，成功消除了設(shè)備振動(dòng)隱患。