火电厂管系振动原因分析及减振方法.pdf

第44卷第1期 2013年1月 锅炉技术 B 0l LERTEC H N O LO G Y V 01．44，N O ．1 Jan．，2013 【运行与改造】 火电厂管系振动原因分析及减振方法 赵星海1，翟松1，彭龙飞1，刑景伟1，辛国华2 1．东北电力大学能源动力工程学院，吉林吉林132012；2．吉林工业职业技术学院，吉林吉林132013 摘要由于电厂汽水管道系统支吊架设置不当、管道局部走向不合理，导致管系运行中经常发生振动，对 管系及相关设备的安全运行带来重大安全隐患，进而影响整个电厂的安全性和可靠性。为保证电厂安全运 行，消除事故隐患，有必要对管系振动形成的机理进行深入的分析和研究。分析了引起汽水管道振动的原因， 认为系统自身的激振力是引起管道振动的主要因素，同时对引起振动的其他原因进行分析，并给出了减弱或 消除汽水管道振动的建议和措施，为电厂汽水管道振动治理工作提供一定的技术支持。 关键词 汽水管道；振动；应力分析；安全性；激振力 中图分类号TM 621．4文献标识码A文章编号16724763201301006705 0前言 管道振动是电厂汽水系统运行中常见的现 象，管道振动的存在将导致支吊架松动失效，振 动产生的往复力可使管道局部发生疲劳破坏、对 与之连接的设备产生附加推力造成设备损坏，影 响电厂生产运行的安全性和可靠性。 随着我国电力工业的迅猛发展，新建电厂机 组容量和参数大大提高，主力机型已由原来的 300 M W 变为600M W ，且已有多家电厂投运了 1000 M W 的高效超临界机组。由于汽水管道内 工质参数的改变及热力系统复杂程度的提高，致 使电厂部分汽水管道振动程度进一步加剧[1_2]。 汽水管道系统属于一种自激振动系统，在没 有外界偶然载荷影响的情况下，系统本身也可能 发生振动。当振动的强度达到管道材料的疲劳 极限时管道将破坏，使管内工质泄漏，威胁电厂 安全生产运行[3．4]。据统计，全世界每年因电厂 汽水管道振动破坏造成的经济损失可达数亿美 元。在我国，电厂汽水管道振动事故也经常发 生，且近年呈上升趋势，电厂汽水管道振动问题 已经成为当今电力行业内亟待解决和不容忽视 的问题[5．6]。 1 汽水管道振动原因分析 1．1管道振动微分方程 管道系统振动的激振力来源于工质的脉动 作用，管系的振动属于受迫振动。当工质流经弯 头、异径管、安全阀等元件时，脉动工质对管道会 产生激振力，此时管道在激振力的作用下产生振 动。有限元分析方法建立管道振动微分方程 如下 [M ] {【，Ec3{D [K ] {．，{Q￡ 1 式中[M ]刚度矩阵； [M ]质量矩阵； [C]阻尼矩阵； [【，]节点位移向量； [Q ￡]激振力。 由式1可以看出，要想削弱管系的振动可 以从改变激振力{Q ￡、刚度矩阵[ K ]和阻尼矩 阵Ec3等方面考虑。 1．2管道振动原因分析 通过对管道振动微分方程的分析，电厂汽水 管道、支吊系统及系统中各种泵、阀门、法兰等元 件组成了一个复杂的机械结构系统。在遇到外 来或内部激振力的作用下，该系统就会发生 振动。 1．2．1影响振动的2个系统 1结构系统研究管系整体结构对工质产 生激振力的响应； 2流体系统研究工质流动规律和工质对 收稿日期20120215 作者简介赵星海1977一 ，男，副教授，主要从事火力发电厂汽水系统设计、优化、改造及汽水系统安全性评估研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅炉技术第44卷 结构系统振动的激发作用。 1．2．2振动激振力的分类 1自身激振力 主要是与管道直接连接的转动设备振动、管 内工质动量瞬时突变、工质通过泄放阀和工质脉 动作用等引起的振动，且系统自身激振力是引发 管道振动的主要原因。 2系统外激振力 主要为地震载荷、风载荷和雪载荷等偶然 荷载。 1．2．3管道振动的原因 电厂管道振动是一种呈周期性变化的往复 运动，振动造成的破坏程度取决于激振力的大小 和管系自身的抗振性能。引起电厂管道振动的 主要原因 1管内工质脉动引起的振动 管内工质流动的动力来自于泵功，当泵对管 内工质加压时，由于加压方式不连续，管内工质 的压力和速度表现为在平均值上下有规律的波 动即脉动。当处于脉动状态的工质流经弯头、异 径管、阀门等管道元件时，将产生大小和方向不 确定的激振力，管道在此激振力的作用下产生 振动。 2设备缺陷引起的振动 当转动机械由于动不平衡、机械故障或基础 缺陷发生振动时，振动力会传递到与之相连接的 管道上，引起管道振动。 3水锤引起的振动 在机组运行过程中，由于负荷突变或泵、阀 门发生故障，需经常对阀门进行启闭切换操作。 当管系中的阀门瞬时启闭，管内的水流速度先在 阀门处发生突变，使管道内水压形成压缩波和膨 胀波，并在管道内周期性的传递衰减直至压力稳 定，这种现象即为水锤。水锤发生时，管内压力 急剧上升并周期性变化，使管道发生破坏的同时 还威胁设备的安全。由于水锤事故对电厂安全 运行产生严重危害，电厂应尽量避免水锤现象的 发生。 2减振方法 设计院在热力系统设计时，除要满足现场施 工工艺要求，还应考虑到热力系统造价、应力集 中及振动等问题。避免管道振动是热力系统设 计中一项重要工作，管道的防振、减振可以通过 以下途径减弱或消除 2．1调整管系固有频率 调整汽水管道的固有频率，使其控制在一个 合理的范围之内。 管道系统固有频率的影响因素有以下几点 1管内工质流速提高时，管道系统整体刚 度下降，此时管道系统固有频率也随之降低。当 工质流速继续增加到临界流速时，管道振动发 散，此时管道系统失稳；当工质流速继续增加，管 道振动频率出现反复升降。在电厂生产过程中， 由于管内工质流速有严格的国家规定，即达不到 临界流速，故不考虑临界流速以上振动频率出现 反复升降情况； 2 当管道设计走向过长且管径选取较小 即管道径长比越小，管道的固有频率越低； 3当热力系统设计选用管道壁厚较薄时， 管系整体刚度下降且固有频率降低，管系抗振性 能差。 此外，管道系统的固有频率还取决于系统容 积的大小、支管长度、支管位置以及工质参数等。 综上，在电厂热力系统设计时，汽水系统基频应 大于5H z，以确保管系刚度要求。 2．2采用小角度转弯法 电厂汽水系统运行过程中，由于泵的不连续 加压方式使管内工质压力和速度随时间有规律 的变化。管道振动的激振力主要是由工质压力 脉动造成的，脉动的程度可用不均匀度 来 表示 氏一户。。。一P⋯／po 2 式中p。。工质脉动压力最大值，M Pa； P。i 。工质脉动压力最小值，M Pa； P。工质平均脉动压力，M Pa。 当处于脉动状态的工质流经弯头时，会产生 激振力。激振力的大小为 ．厂一2P。Sp／2 3 式中S管道截面积，m 2； 口弯头的转角，r ad。 压力脉动不均匀度＆和平均脉动压力P。取 决于泵的工作方式，要想削弱脉动产生的激振 力，可从2个方面采取措施 1口一0，即在热力系统设计时，应尽可能使 管道走向平直，减少系统中弯头的使用量； 2对弯头角度选择时，应尽量选用小角度 的弯头。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1期 赵星海，等火电厂管系振动原因分析及减振方法 2．3采用优化刚度法 电厂热力系统设计，是根据机组容量等级来 确定系统中输送工质的压力、流量、温度等参数， 从而确定管道的材料和管径。管道的布置及支 吊架的选型是根据电厂建筑物空间结构确定的。 当管道走向确定后，改变管道系统的刚度对控制 其振动显得尤为重要。管道系统刚度越大，管系 固有频率也越大，对管道系统的抗振性能越有 利；当刚度取极限时管道系统成为刚体，不发生 振动。但管道系统刚度增加时，管系应力也随之 增加，应力的增加又会对支吊架、基础设施和管 道强度等提出进一步更高要求。因此，管道系统 的刚度应该选取一个既满足应力又能提高基频 的最佳值。 2．4管内工质参数 1压力对振动的影响 压力对管道系统的固有频率无明显影响，但 压力的升高对振动有加强作用，且当管道因振动出 现破坏时，压力使管道的破坏程度进一步加剧。 2温度对振动的影响 温度的高、低对管道振动无直接影响，但工 质的温度越高，管道的热膨胀和支吊点热位移值 越大，产生的热应力也越大，此时管道振动对管 道系统的安全不利。 3工程实例 3．1工程概况 某电厂为新建4台600M W 亚临界机组高 压给水管道支吊架设置见表1。 表1高压给水管道支吊架类型 节点号支吊架类型节点号支吊架类型 650 单拉杆弹簧吊架320 双拉杆弹簧吊架 630 单拉杆弹簧吊架 340 限位支架 600 滑动支架 350 双拉杆弹簧吊架 160 单拉杆弹簧支架 360 双拉杆恒力吊架 180 滑动支架 195 双拉杆弹簧吊架 370 单拉杆弹簧吊架 220 单拉杆弹簧吊架 400 双拉杆弹簧吊架 230 单拉杆弹簧吊架 420 双拉杆弹簧吊架 250 单拉杆弹簧吊架 490 单拉杆弹簧吊架 260 单拉杆弹簧吊架 120双拉杆刚性吊架 280 双拉杆刚性吊架90 单拉杆刚性吊架 300 单拉杆弹簧吊架 70 滑动支架 310 单拉杆弹簧吊架730 单拉杆弹簧吊架 该管道共设计了25个支吊点17个弹簧吊 架、3个滑动支架、1个恒立吊架、1个限位支架、3 个刚性吊架。 高压给水管道规格 隔离阀至省煤器人口 段 ，西n35051．5m m 、材质A 106BASTM 、 设计温度281．6℃、设计压力23．5M Pa。该机 组投产后不久，高压给水管道就出现振动现象且 振幅较大，振动使高压给水管道部分保温开裂脱 落、支吊架松动。为防止管道振动进一步加剧， 确保机组运行的安全，对该管道的振动进行了 治理。 3．2给水管道振动治理 利用有限元分析软件，对原设计的高压给水 管道固有特性进行了分析和计算。管道系统的 三维建模如图1所示。 Z 图1高压给水管道立体图 分析阵型时发现，管道系统的振动位置处于 前六阶阵型之内，因此本文仅计算高压给水管道 的前六阶的频率及阵型，计算结果见表2。 表2振动治理前高压给水管道 前六阶频率及阵型描述 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 70 锅炉技术 第44卷 由结果可以看出，270290、290一330、 330一410三段管道的弯曲和摆动占据了全部的 阵型，且固有频率过小。因此，分析认为该三段 管道是发生振动的危险部分，与现场观察、实测 结果相一致。 对于该段高压给水管道的振动治理可以通 过限制三段管道位移方法来提高给水管系的刚 度，从而削弱管道振动。 通过对高压给水管道振动分析，本文提出3 种解决方案 1 方案1在节点350处加装X 方向的限 位装置，在节点310处加装X 方向限位装置，在 节点280处加装刚性支架； 2方案2在节点250、260、280、340、400 处加装阻尼器，在节点310处加装径向限位 装置； 3 方案3在节点300、320处支吊架X 方 向进行根部偏装。 通过现场观察和实际测量，节点320处支吊 架根部位置空间有限，不能满足方案3所提出的 偏装要求，故方案3无法采用。 通过方案1与方案2的对比，采用方案1后 对管道进行静应力分析，所得二次应力为 110．072M Pa，应力增幅16．8％；采用方案2后对 管道进行静应力分析，所得二次应力为96．313 M Pa，应力增幅2．2％。显然，采用方案2后管道 系统的热应力无大变化。 因此，该电厂高压给水管道的振动治理决定 采用方案2，治理后的管道频率及阵型描述见 表3。 表3振动治理后高压给水管道 前六阶频率及阵型描述 通过方案2的实施可以看出，在高压给水管 道热应力没有明显提升的前提下，管道系统的刚 度和固有频率都有了较大提高，基频从治理前的 2．257提高到治理后4．547。 为更准确的检验减振方案的正确性，现场 采用调整机组负荷的方法，来对比方案施行前 后高压给水管道振动削弱情况。将机组负荷 从430M W 提高到550M w ，再降至430 M W ，对治理后高压给水管道进行振动测量， 测量振幅均小于1m m ，且在机组变负荷过程 中管道振幅无明显变化，振动治理方案达到了 预期效果。 4 结语 通过对某电厂600M w 机组高压给水管道 振动治理，对电厂汽水管道振动原因及减振方法 可归纳以下几点 1通过对现场高压给水管道的振动测量， 管道的振动与管内工质流速大小及流速变化快 慢有关。工质流速越大且流速变化越剧烈，引起 管道的振动幅度越大。 2改变管道系统的固有特性来治理管道振 动，在实际治理振动问题中是最简便、有效且易 于实现的。 3管道系统的走向对振动影响较大。工质 流经弯头处产生的激振力是电厂管道振动的一 个重要“振源”，应该尽量减少弯头的使用，尤其 是大角度弯头弯管的使用。 参考文献 [1]金基铎，邹光胜，闻邦椿，等．强激励联合作用下输流管的分 岔和混沌行为研究[J]．应用力学学报，2005，221111 113． [ 2]赵星海，郑明秀，魏春明，等．火电厂蒸汽管道支吊架失效问 题的研究EJ3．锅炉技术，2010，413 57． [3]赵力电．压力管道振动分析[J]．管道技术与设备，2006，33 63l 一32． E45黄玲珍，邓家青．压力管道振动原因分析及对策[J]．冶金丛 刊，2001，21 32426． E53张阿舟，诸德超．振动理论与分析EM 3．北京北京航空工业 出版社，1996． [6]胡宗武．工程振动分析基础[ M ]．上海上海交通大学出版 社，1989． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1期赵星海，等火电厂管系振动原因分析及减振方法 71 V i brat i onR eason A nal ysi s andV i brat i onReduct i onM et hods of Pipi ngSyst emin Ther m alPow erPlant Z H A OX i nghai l ，ZHA ISon91，PEN GLongfei l ，X I N GJi ngw ei l ，X INGuohua2 1．SchoolofEnergyandPow erEngi neeri ng，N ort heastDianl iUni ver si t y，Ji li n132012，Chi na； 2．Ji li nV ocat i onal Col lege of I ndust r y andTechnol ogy，Ji l i n132013，C hi na A bs t ract Thei m properi nst al l at i onofsuppor thanger sandt heunreasonablear r angem ent of l ocal pi pe in pow erplant w i l lcauset hevi br ati oninpi pi ngoper at i onf requent l y，w hi chbri ng gr eat hi dden danger t ot hesafe oper at ion oft hepi pi ngandrel at ed equi pm ent s，f urt her m or e infl uenci ng t he safet y and rel iabi l i t yof t he pow erplant ．To ens uret hesafe oper at ion of pow er plant andel im inatet hehi dden danger，i t i s necessary t Om ake t horoughanal ys i s andr e searchont hef or m ati onm echani smfort he pi pi ng vi br at ion．Int hi s paper，t he r easonsofcau si ng t hest eam w ater pi pe vi br ati onw er e anal yzed andt he exci t i ng forcew as r egar ded ast he m ai nfact orsoft he pi pi ng vibr ati on．Theotherr easonsofvi br ati oni nt hepi pi ngw er eana l yzed andt he suggesti ons andm easurest Oel im inateordecreaset hepi pi ngvi br ati onw eregiv 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