361 2014论文汇编 300MW机组主汽管道振动的原因分析及消除 卢川贵，王勇 （大唐哈尔滨第一热电有限公司） 摘 要：主蒸汽管道振动严重影响机组运行安全通过对主蒸汽管道进行模态分析和应力计算,找到诱发管道振动的原因采取相应改善措施，对主蒸汽管道系统进行计算调整可以有效的消除振动，保障机组安全 关键词：主蒸汽管道；振动；支吊架；应力；固有频率 [Abstract] Vibration of main steam pipe seriously affect the unit’s running security. Through mode analysis and stress calculation of main steam pipe, the reason of its vibration is found out,and improving measures is taken to calculate adjustments to the main steam piping systems,which can effectively eliminate the vibration and ensure unit’s safety. [Keywords] main steam pipe; vibration; support and hanger; stress; natural frequency 1引言 某发电厂 1 号机组装机容量为 300MW，于 2009 年投入商业运行后，该主蒸汽管道一直存在着严重的大幅度振动。
管道振动产生的强力噪音，使巡检人员和就地操作人员产生紧张恐惧感、不舒适感和不安全感，分散操作人员的注意力，影响工作效率，并容易引发操作失误、造成事故长期大幅振动会引起管道和支吊架材料的疲劳损坏，并会影响到与管系相连的设备的安全，影响机组的安全运行[1]总之，管道振动造成的危害是多方面的，应设法降低或避免严重的管道振动问题该机组主蒸汽管道的材质为ASTM A335 P91，管道的设计压力17.535MPa，管道的设计温度545C该主蒸汽管道走向如图1所示 图1：主蒸汽管道立体图 为了消除主蒸汽管道的振动，确保机组的安全运行，对主蒸汽管道振动的情况进行模态分析和应力计算，并寻求消除振动的具体措施 362 2014论文汇编 2 振动原因分析 管道系统的振动一般是由机械振动、管道内部介质振动引起的，其中后者是管道振动的主要诱因振动对于管道是一种交变动载荷，其危害程度取决于振幅、频率和管道自身的抗振性能当振动频率等于或接近管道的自振频率时，将引起共振[2]经现场检查和分析，该主汽管道接口设备振动均满足设计要求，支吊架根部无明显振动源存在由此可以排除机械振动等外部振源引起振动的可能性，所以只能从管道系统自身查找振动原因。
管道内部介质振动在机组运行过程中是一个随机组负荷变化而不断变化的变量主蒸汽流量是由机组负荷决定，要想改变管道内部介质在管道内的流动特性，只能通过改变管道自身规格、布置走向和管道附件等来实现对于投入运行的机组来说，上述调整工作量大，需要投入大量人力物力一般不采用此方式解决管道振动无法改变振源特性，接下来我们只能从管系刚度、支吊结构和阻尼效果等方面查找振动发生的原因 2.1汽水管道刚度和固有频率 汽水管道设计中由于要考虑良好的补偿性能，减少管道对接口设备的推力影响，往往设计的相对较柔是较常见的问题因此，在汽水管道的设计中除要求满足强度条件外，还应满足一定的刚度条件，文献[ 3 ]要求管道的固有频率大于3.5 Hz通过支吊架的合理布置，可以使管道具有较高的一阶固有频率，避开介质的激振频率，以免发生共振 本文采用 CAESARⅡ软件对主汽管道进行模态分析计算，模态分析可以生成计算该管道的多阶固有频率：第一阶固有频率0.310 Hz，第二阶固有频率 0.594 Hz，第三阶固有频率 0.726 Hz，第四阶固有频率 0.948 Hz，第五阶固有频率 1.190 Hz从上述计算结果可以确定，管系刚度小，固有频率低是该管道振动的原因之一。
2.2管道支吊架工作状态 管道安装过程中限于现场条件、检测手段和设备材料质量等原因，管道系统布置无法完全满足设计要求往往会出现管道安装过程中调较不准确，强行拆除支吊架锁销，致使管道出现明显下沉（或上升）的现象造成支吊架受力不均或失效，管系受力偏离设计值严重的造成整个管系失稳、振动 经现场检查发现该主汽管道部分支吊架受力明显偏离设计值，并出现弹簧压死、偏斜、失效等现象具体如表1： 表1 主汽管道支吊架现场检查结果 节点号 名称 热态 冷态 P11 水平管单拉杆刚性吊架 偏向炉侧 偏向炉侧 P06 立管双拉杆刚性吊架 拉杆过短，偏斜角>3° 拉杆过短，偏斜角>3° P04 立管限位支架 滑动板脱落 滑动板脱落 P03 立管双拉杆恒力吊架 压缩量不一致，未压死 压缩量不一致，未压死 P02 立管双拉杆恒力吊架 工作正常 压死 363 2014论文汇编 节点号 名称 热态 冷态 P01 水平管双拉杆恒力吊架 工作正常 压死 P18 水平管双拉杆恒力吊架 工作正常 压死 P19 水平管液压阻尼器吊架 漏油 漏油 P20 水平管液压阻尼器吊架 漏油 漏油 P21 水平管双拉杆恒力吊架 压死 压死 P22 水平管液压阻尼器吊架 漏油 漏油 P23 水平管单拉弹簧吊架 压缩量不足 压缩量不足 2.3管道系统阻尼效果 管道系统采用的阻尼器主要是油阻尼器，外形为圆柱体，内部设有活塞，活塞上开有小孔，活塞的两端与减振设备相连接。
设备振动带动阻尼器的活塞做轴向运动，腔体内的阻尼液受到活塞挤压压力逐渐增大，液体通过活塞的小孔从缸体的一侧流向另一侧两侧的压力差为阻尼液流动的阻力，阻尼液流动过程中克服阻力做功将系统的振动机械能转化为阻尼液热能释放出去，从而达到耗能减振的目的 这种阻尼器优点很多，被广泛应用于桥梁和建筑物的减振由于这种阻尼器有空程对小幅振动反映不灵敏，在激振频率为1.5 Hz，位移幅值分别为±1.2 mm，±2.8 mm时的滞回环与理论值差异大，无法达到预期的减震效果[4]所以通常应用在管道系统的地震工况和排汽工况的较大振幅吸能减震由于阻尼器的存在增加了管道系统的刚度，可以有效吸收较大振幅的低频振动能量所以，在出现较大幅度振动的管道系统中，在振幅较大位置适当增加阻尼器，可以有效控制管道的振动幅度 本文所述主蒸汽管道阻尼器普遍存在漏油现象，一定程度上降低了阻尼器的效用对控制管道振动和管系刚度均出现不利影响具体检查结果见表1 3 消除振动的措施 从上述分析可见，主蒸汽管道主要存在以下三种不利于振动控制的状况，分别是管道系统刚度较小、管道支吊架失效和阻尼器失效要消除该主蒸汽管道的振动，可通过对上述三种状况进行深入分析，采取有利措施避免上述三种状况对管道系统造成影响。
具体措施如下： 3.1增加支吊架，提高管道的刚度，避免管道的共振 管道系统刚度和强度是一对相互矛盾的问题，增加管道支吊架提高了管道刚度后，将对管道的热位移产生约束，可能使管道端口推力和应力增加，使其强度相应降低，加速了管道和设备的损伤因此，在增加管道支吊架之前，必须同时进行严格的模态和应力分析计算，保证改造方案既适当提高了管道的刚度，又不大幅度增加端口推力和管道应力利用CAESARⅡ软件，我们对管道热位移进行了模态分析，发现该主汽管道 P26 点位置 X 向热位移趋近于0，增加限位支架后对管系强度和端口推力影响较小可以在P26点位置增加X方向限位支架，来改变管道系统的刚度增加限位支架后模态分析结果显示主蒸汽管道固有 364 2014论文汇编 频率为：第一阶固有频率0.381 Hz，第二阶固有频率 0.667 Hz，第三阶固有频率 0.817 Hz，第四阶固有频率 1.127 Hz，第五阶固有频率 1.217 Hz，固有频率都有明显提高，有利于减小或消除振动增加限位支架后的应力分析结果（见表2），管道应力无明显变化，端口推力增加不大，在允许范围内，本方案可行 表2-1 增加P26前后最大应力表 工况 项目 增加P26后最大应力 （N/mm2） 未增加P26最大应力 （N/mm2） SUS CODE应力 56.5 57 轴向应力 48.6 48.6 弯曲应力 32.7 33.4 扭转应力 4.8 4.5 环向应力 97.9 97.9 3D最大强度 104.8 104.8 EXP CODE应力 213.3 213.4 轴向应力 2.6 2.6 弯曲应力 188.3 188.4 扭转应力 37.5 37.6 环向应力 0.0 0.0 3D最大强度 191.2 191.3 表2-2 增加P26前端点作用力和力矩表 管端 节点号 受力 状态 作用力（N） 力矩（N*M） Fx Fy Fz Mx My Mz 汽轮机 端口1 SUS -530 -5446 -246 1692.2 -2201.0 17969.5 OPE 4239 -3652 3888 -52227.0 39519.8 44277.4 汽轮机 端口2 SUS 586 -5080 -52 6695.1 -765.1 27381.4 OPE -2994 -5466 1591 -21879.2 10830.2 -23090.3 锅炉 端口1 SUS 1407 -5832 -152 14441.4 3963.0 -11487.7 OPE 807 -8782 -1858 -12540.0 -7245.8 -912.8 锅炉 端口2 SUS -1342 -721 145 1353.5 -4510.5 -2062.2 OPE 40 2386 1342 -65562.0 -414.0 -38666.0 表2-3 增加P26后端点作用力和力矩表 管端 节点号 受力 状态 作用力（N） 力矩（N*M） Fx Fy Fz Mx My Mz 汽轮机 端口1 SUS -1981 -24287 -1064 2269 -2829 26624 OPE 13271 -17384 16479 -69127 50291 43505 汽轮机 端口2 SUS 1845 -22899 -399 10073 -1220 35687 OPE -3125 -23187 9023 -37685 16256 3479 锅炉 端口1 SUS 6114 -25783 -660 19400 5233 -15282 OPE 2492 -38313 -7610 -15833 -10644 1318 锅炉 端口2 SUS -5769 -3572 543 1805 -5975 -2880 OPE 598 9780 5861 -88365 -1559 -52103 3.2调整和恢复失效支吊架 365 2014论文汇编 通过现场观察、测量和图纸分析，发现该主蒸汽管道炉顶部分出现明显的下沉。
造成顶部（部分）支吊架出现冷态压死或严重偏离设计值现象要调整管系中支吊架，必须先调整管道位置到设计标高方案采用炉顶起吊主蒸汽管道，同时收紧刚性吊架 P6，待炉顶管道上升到设计标高后，停止起吊然后再检查管道支吊架，对仍然偏离设计值或失效的支吊架进行调整和更换，直到达到设计状态具体支吊架调整方案如表3 表3 主蒸汽管道支吊架处理方案 节点号 名称 处理方案 P26增加 立管限位支架 新增 P11 水平管单拉杆刚性吊架 冷态偏装+Z57mm P06 立管双拉杆刚性吊架 更换为滑动刚吊 P04 立管限位支架 更换滑动板 P03 立管双拉杆恒力吊架 调一侧吊杆 P02 立管双拉杆恒力吊架 松吊杆 P01 水平管单拉杆恒力吊架 松吊杆 P18 水平管双拉杆恒力吊架 松吊杆 P19 水平管液压阻尼器吊架 更换 P20 水平管液压阻尼器吊架 更换 P21 水平管双拉杆恒力吊架 调吊杆 P22 水平管液压阻尼器吊架。