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1、大型泵站压力管道流激振动分析与损伤识别研究项目研究报告承担单位：甘肃省景泰川电力提灌管理局参加单位：华北水利水电大学 兰州理工大学二O一三年六月前 言前 言为满足人们的生存需要以及经济发展和农业需求，自新中国成立以来，建成了很多提灌工程，产生了巨大的综合效益，为当地老百姓带来了巨大的实惠。长期以来，为保证这些提灌工程的正常运行和人们的正常生活，国家对提灌工程（尤其是大型提灌工程）在政策与资金等各方面都给予了大力的支持。甘肃省景泰川电力提灌工程（以下称“景电工程”）长期以来一直享受0.04元/Kwh的远低于成本价的电价保证提灌用电，正是这一系列的扶助与支持，使得景电提灌工程自建成以来，产生了巨大
2、的综合效益，为当地老百姓带来了巨大的实惠，同时对区域生态环境的改善也做出了巨大的贡献。景电工程就其扬程、流量、装机容量、多梯级综合评价，被誉为“中华之最”。经过40多年的运行管理，工程产生了显著的社会效益、经济效益和生态效益。但同时由于长时间负荷运行，景电工程大部分泵站在实际运行中均存在严重的管道振动问题，特别是在同一泵站中多台机组共用一支管路的情况下，其运行过程中的管道振动问题尤为突出。这些振动主要表现为高频率、大振幅、噪声大，对泵站的安全运行形成了明显的威胁。在实地测试中，景电工程各泵站压力管道在水泵开、停机瞬间和流量变化时的振动尤为突出。若管道长期振动，会产生疲劳破坏，严重情况下就有可能
3、造成结构损伤，对设备的安全和寿命有影响，甚至结构功能会失效。另外，针对景电工程大型泵站内的压力管道的激振测试和振动模态监测研究，由于资金、观念、技术等方面的原因，一直没有开展，对泵站压力管道振动级别亦没有清楚的认识和深入的研究。为有效解决大型泵站压力管道的振动问题，防止由此引发的事故影响工程效益的发挥，对景电灌区各级泵站的压力管道流激振动分析与损伤识别做出科学的评价，景电管理局委托华北水利水电大学和兰州理工大学开展了本项目的研究。本课题是针对我国大型梯级泵站工程压力管道系统普遍存在的振动问题、噪音问题、输水能耗过高、水泵提水效率偏低等问题开展的应用型研究，是以研究影响大型梯级泵站压力管道振动的
4、主要因素和探求压力管道系统结构损伤机理的关键技术为主要任务的。研究的主要目的：（1）通过对大型泵站压力管道实际运行数据的监测分析和现场实验，客观地评价大型梯级泵站的压力管道实际振动状态，为大型梯级泵站压力管道的振动识辨提供必要的支持和参考；（2）通过泵站压力管道振动识辨分析，探寻泵站压力管道的振动激励源，为泵站压力管道的振动原因分析提供理论依据和技术参考；（3）基于泵站压力管道振动识辨的分析，建立激励源与响应之间的内在关系，可为避免管道、水流产生共振提供重要的理论分析基础，同时也能为泵站更新改造设计和安全运行提供必要地理论依据和技术支撑；（4）通过压力管道振动的辨识，探究压力管道损伤机理，提出
5、管道结构的减振与避振措施，对泵站管道结构的优化设计和延长结构的使用寿命提供技术支持；（5）通过对泵站压力管道的振动模态和流固耦合有限元的分析，探究高扬程泵站压力管道的振动特点，为管道结构安全级别的判定提供技术支撑；（6）结合景电工程代表性泵站压力管道的振动实例监测，探究高扬程泵站压力管道结构损伤识别的方法和关键技术，为泵站管道结构的安全预防提供技术支撑，并可为我国同类工程的建设和安全运行提供可供参考的理论依据及技术手段。研究的主要内容：（1）采用DASP（Data Acquisition & Signal Processing）测试系统对泵站压力管道的振动特性开展原位测试试验，主要内容包括测试
6、对象选定、试验系统设置、测点布置，现场试验数据信息的采集与分析；（2）针对DASP振动测试数据利用数学分析软件MATLAB进行小波降噪分析，然后采用时域分析和频谱分析方法对不同工况下压力管道振动的信号数据进行管道振动激励源辨识，探寻管道振动振源的主频，判定激励源对管道振动模态的影响程度；（3）采用功率谱方法，分析管道振动的主要振源，研究相应的管道减振与避振措施，对泵站管道的优化设计和安全运行提供理论基础和技术支持；（4）建立了基于附加水体质量的简化流固耦合有限元模型，研究不同流态下压力管道的振动特征，为管道的损伤识别提供技术支持；（5）建立统计模式的损伤识别模型，采用均值控制图的分析方法，诊断
7、压力管道的激振损伤程度，为压力管道的优化设计提供理论依据。以下几方面确保了本课题的可行性：（1）国内外的现有研究资料可以为本课题的理论分析提供理论基础；（2）甘肃省景电工程43座泵站压力管道振动现状和多年泵站运行管理经验可以为本课题的深入研究提供大量的现场资料和实际经验；（3）DASP虚拟测试、分析振动仪器与FLUENT软件相结合运用于压力管道振动测试及管道内水流流态分析，为本课题提供了技术支持。本课题研究工作始于2010年9月。课题组在研究过程中，深入分析研究了泵站压力管道流激振动和损伤识辨的方法，通过对近年来运行数据的整理分析以及DASP对泵站压力管道的振动测试，研究发现：泵站管道的管网敷
8、设不合理、进水流道内流态不稳定、实际过水量与设计输水量工况不匹配，管道安装初应力过大等原因，是造成压力管道等过流部件的高频振动和损伤破坏的主要原因。项目从大型泵站压力管道的激振源识别、振动模态和损伤机理等方面入手开展研究、提出了改善管道布置型式、优化镇墩约束、优选管径和材质等管道的减振技术措施。通过采用DASP原位振动测试和信号分析，探究了泵站压力管道的振动机理，提出了消除管道系统的激振力、提高结构的刚度、减小结构的振幅，增加系统的结构阻尼等一系列科学、有效、合理的降噪减振技术措施。实际应用表明，本项目所提出的泵站压力管道减振措施能够有效解决泵站压力管道在运行中的高频大幅度振动问题，提高泵站运
9、行的安全可靠性，延长压力管道的使用寿命，减少维护费用，提高工程效益。本课题的研究具有较强的针对性和前瞻性。课题的研究结论一方面对于保障大型泵站压力管道结构的安全运行具有重大的现实意义，另一方面可为大型泵站压力管道系统的优化设计提供重要的理论依据和技术支撑；也可为现有同类工程的更新改造提供科学实用的新技术。因此，大型泵站压力管道振动识辨与损伤机理研究既有服务于正在运行工程高效使用的现实意义，又有指导待建工程进行合理设计的理论意义。项目在执行过程中，得到了甘肃省水利厅和各参研单位的大力支持。两年多来，经课题组全体同志的努力，研究任务已全部完成，并于2012年11月10日通过委托单位验收，部分成果已
10、直接应用到工程设计和改造中，达到了科研服务于工程建设的目的。 大型泵站压力管道流激振动分析与损伤识别研究 课题组 二O一二年十二月I目 录目 录1研究背景和意义12国内外的研究现状52.1输水管道振动研究发展历史52.2 流激振动国内外研究现状62.3国内外模态参数辨识与损伤诊断的研究现状82.3.1国外模态参数辨识与安全控制的研究现状82.3.2国内模态参数辨识与安全控制的研究现状93研究内容、主要研究方法和技术路线123.1研究目的123.2主要研究内容123.3主要研究方法143.4技术路线一五3.5关键技术及创新点164泵站压力管道现场试验174.1压力管道振动试验测试系统设计174.
11、1.1 传统振动测试方法174.1.2 DASP软件介绍一八4.1.2实验对象194.1.3 系统组成与工作流程224.2拾振器测点布置234.2.1 拾振器的选型234.2.2 拾振器的布置原则244.2.3 测点布置254.3 试验工况284.4数据采集及参数设定284.4.1 基本操作284.4.2 数据采集295波形输出与信号去噪335.1 所需工况335.2时域波形输出345.2.1 编辑滤波355.2.2 时域波形图导出355.3 小波应用375.3.1 小波去噪原理375.3.2噪声信号的小波分析特性385.3.3一维离散信号降噪405.4 MATLAB小波信号去噪405.5小结
12、426激励源分析436.1振源分析436.1.1 水流激励引起的振动436.1.2 离心泵等机械原因引起的振动446.1.3 电磁干扰引起的振动456.2 激励源分析456.2.1 4#机开机过程456.2.2进水瞬间476.2.3 4#机稳定运行486.2.4 8#机稳定运行496.2.5 工况四4#机停机过程506.3 主频分析516.3.1低频516.3.2中频526.3.3高频及倍频536.4 主要振源分析536.4.1 分析方法536.4.2 功率谱分析计算566.5减振方案596.5.1机械振动的减振措施596.5.2水流激励的减振措施606.6小结617模态参数辨识分析627.1
13、时域波形输出627.1.1 试验工况627.1.2 波形输出627.2模态参数辨识分析667.2.1 模态拟合667.2.2 模态频率与阻尼比697.2.3 振型及激振特点分析697.2.4 振型相关矩阵校验727.3 小结728 泵站压力管道流固耦合的有限元仿真分析748.1 ANSYS软件在模态分析中的应用748.1.1 ANSYS模态分析方法748.1.2 流固耦合控制方程758.2 建立有限元模型788.2.1 问题描述788.2.2 边界约束条件798.2.3 计算工况808.2.4 附加水体质量818.3 模态仿真分析838.3.1 开停机工况838.3.2 正常运行工况928.4
14、 激振特点分析1008.5 小结1019 基于统计模式识别的管道损伤检测1039.1 统计模式损伤识别的基本原理1039.2 基本方法与步骤1069.2.1 数据采集与预处理1079.2.2 建立统计模型1079.2.3 特征提取和选择1119.2.4 分类判别1129.3 均值控制图检验1129.3.1 均值控制图的原理1129.3.2 均值控制图的优点1一三9.3.3 均值控制图指标构造1149.4 数值模拟验证1149.4.1 建立识别模型1一五9.4.2 识别结果1169.5小结1一八10研究结论及成果应用11910.1研究结论11910.2成果应用12011存在的主要问题和建议123III大型泵站压力管道流激振动分析与损伤识别研究报告1研究背景和意义为满足人们的生存需要以及经济发展和农业需求，自新中国成立以来，建成了很多提灌工程，产生了巨大的综合效益，为当地老百姓带来了巨大的实惠。据统计，沿黄河有大中型抽黄水泵11万台套，总容量约340万kw，这些泵站和提水设备大多为上世纪六十至七十年代兴建。从1980年开始，黄河上的灌溉用泵以每年2万台，装机容量4050万kw的速度增加。这些工程总扬程可高达400800m，单级泵的扬程达80一八2m。长期以来，为保证这些提灌工程的正常运行和人们的正常生活，国家对提灌工程（尤其是大型提灌工程）在政策与资金等各方面都给予了大力的支持
