火电厂汽水管道振动原因及消振措施分析.pdf

2 0 1 5 年第3 3 卷第4 期 内 蒙 古 电 力 技 术 I NNE R M0NG0L I A E L EC T RI C P OW ER d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 6 2 1 8 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 3 火电厂 汽水 管道振动原 因及 消振措施分析 张艳飞 ， 谢利明 ， 张静 内蒙古电力科学研究院， 呼和浩特0 1 0 0 2 0 摘要 根据 火电厂汽水管道布置和运行特点 ， 分析 了管道振动原 因及 消振措施。根据相 关规程 ， 结合 内蒙古某热 电厂高压给水管道振动 实例 ， 利用C A E S AR 1 I 软件对管道静 力进行 计算 ， 并根据振动测试结果 ， 分析确定高压给水管道振动是由于刚性支吊架安装错误 ， 导致管 道刚性不足 ， 在管道 内部介质扰动下最终发生振动。经治理 ， 消除了管道振动故障， 保证 了管 道 安 全稳 定运 行 。 关键词 汽水管道； 振动； 消振措施； 激振力； 静力计算； 支吊架 文献标志码 B 中图分类号 T K 2 2 3 ． 3 文章编号 1 0 0 8 --6 2 1 8 2 0 1 5 0 4 --0 0 2 3 一o 4 Ca u s e An a l y s i s o f S t e a m- wa t e r P i p e s Vi b r a t i o n a n d Me a s u r e s t o E l i mi n a t e Vi b r a t i o n i n T h e r ma l P o we r P l a n t ZHANG Ya n f e i ，XI E L i mi n g ，ZHANG J i n g I n n e r Mo n g o l i a P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ，H o h h o t 0 1 0 0 2 0 ，C h i n a 0引言 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n 。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 [ 收稿 日期1 2 0 1 5 0 3 0 5 [ 作者简介1张艳飞 1 9 8 1 ， 男 ， 内蒙古人， 硕士， 高级T程师， 从事火电厂锅炉和压力容器的无损探伤、 焊接 、 失效分析丁作。 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 5 年第3 3 卷第4 期 结构系统， 在存在激振力的情况下 ， 该系统将产生 振动 。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I 。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 D 5 0 5 4 1 9 9 6火力发 电厂汽水 管道设计技术规定 【7 1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 ． 6 2 m m[ 。然而 在_T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 火电厂汽水管道常用的阻振装置 3 高压给水管道振动治理实例 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 U G 一 4 8 0 ／ 1 3 ． 7 一 M型超 高压 、 自然 循 环 、 高温绝热旋风分离器 、 中问再 热循环 流化床燃 煤 锅炉 ， 于 2 0 0 8 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 1 2 号一 1 5 号的支 吊架之间管段 Z向长期存存 | 1 视可见 的低频振动。 3 ． 1 管道振动原因排查 2 0 1 2 年 1 2 月至 2 0 1 3 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 2 0 1 5 年第3 3 卷第4 期 张艳飞， 等 火电厂汽水管道振动原因及消振措施分析 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 管道支吊架约束示意图 点 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 A S ME B 3 1 ． 1 2 0 o 4 动力管道 规范对管 道系统的应力进行校核 ， 利用 C A E S A RⅡ软件建模 ， 输 人管 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 高压给水管道设计参数 参数 数值 管道 规格 直径 壁厚 ／ mmx mm 管道材质 压力／ MP a 温度， ℃ 保温材料 保温材料厚度／ m m 图3 高压给水管道支吊架布置示意图 利用 C A E S A RⅡ软件对高压给水管道进行静力 计算 ， 结果见图4 、 图 5 所示 。 DQ幛ED日 聃’ 0 N’ 蕾Y C 8 E4硝t 塌 W礴峄． H 帅eo d 8I t． 2 O O ‘螺 增l - O ● 0o DE 暇l 撼8a C KP A ．S S E D L O N C S E4稿U田 W． P 1 ． ． 4 4 14 mtt 8 1 ,e ue s L C MD C g S E 4 8 U 8 t * H e 喇． 习 ■ 釉*R _o m ●●H o d ．4 O O O C柏嗣哺t l 翻畴 Nl o ；1 4 21 _ | 蠢 ■9 ■ 哪 7 1 5 0 0 ．4 OU o d e● O 驰 8 o ml n g S Uu 1 7 3 m tN O d *2 l ∞ _ | l a I I 翻 2 MS ．1 O, r o d e 3 懒孽 H o o p 铀 1 5 2 0 3 0 ．e黼删 3 0u - , t t t e n s d ,1 5 2 0 , 0 a№■ ● O 鞯 图4 一次应力计算结果 t ON C 8 EO日 螺 ON疆 y C 8 E8雁， f LS L 3 4． 4 F l n gC od e ． “ 8 3 1 ． 1- 2 0 0 4 ． w s t 1 6 ． 2 O 0 4 oo DE朝2 R嘲CH EC K 阏 卸 “MOC懂5隹x P U H I_ II t 毒 ． 呲- 特 t K P a ， “枷X 譬 5 ㈣u耐j “ C o 幽枷● ● 辩 -a 髓5 or acl e 2 1 4 0 C o d *8 n s u t ” 3 瞄埘 嚆№ I 0 2 8 ． 0 钳 ● 勰幸 o a 2 ‘尊№撕 4 O 8 O 铂删■ 垮镬呲 1 1 9 0 9 4 ．0 a● 白由 2 ● O 1 城嘲gr ● l 1 S 0 4 3 ,．t to t , 3 0 t 9 脚坤 8 ■ | 0 ,0雕 ． o -2 o 3 D ■ “ 雨 慵 r 3 岫皇 脚 鼬 2 ’ 柚 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 7 0 ． 4 ％， 最大二次应力 为其允许应力的 6 0 ． 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WV M2 0 0 0 系统对 l 3 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。 狮 一 一 拗 一 狮 一 一 拗 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 5 年第3 3 卷 4 j tj J 表 2 1 3 号支 吊架位置管道振动测试结果 注 1 机组 最大功率为 1 3 5MW ， 测试 时2号机组的实时功率 为 l 1 5 ． 1 MW 。 依据 D t ／ r 2 9 2 2 0 1 l 火力发电厂汽水管道振 动控制导则 n ， 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 wz D1 。最大峰值振动 速度v 2 r rf A， 其 中， 厂 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1 9 ． 6 1 m m ／ s ， 大 于标准限值 1 2 ． 4 mm ／ s 。根据 D L ／ T 2 9 2 2 0 l 1 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 1 1 号 、 1 3 号、 l 6 号的弹簧支吊架和刚性支吊架存在故障， 且 l 3 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。 3 ． 2 管道振动治理及成效 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 ．5 8 3 H z ， 振动幅值降低 至0 ． 1 8 2 mm， 满足了 D UT 2 9 2 2 0 1 1 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 C A E S A RⅡ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 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 D L ／ T 2 9 2 2 0 1 l 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 参考文献 [ 1 】张广成， 张都清． 再热冷段管道振动原因分析及改造措施 I J 】 ． 华北电力技术， 2 0 0 6 7 3 5 3 7 ． [ 2 ]唐璐， 李英， 仇云林， 等． 1 0 0 0 MW超超临界机组凝结水冉 循环管道振动原 因分析及 治理 『 J 1 ． 电力科学 与T稚 ， 2 0 1 1 2 7 2 7 2 7 4 ． 『 3 ]郑秀明， 刘赞． 使用 C A E S A RⅡ对火电厂主蒸汽管道的动 态分析 吉林电力， 2 0 1 l ， 3 9 3 1 - 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