汽水管道支吊架失效及管道振动治理

汽水管道支吊架失效及管道振动治理

李洪杰

国核工程有限公司上海201100

摘要：电厂汽水管道支吊架主要用于承受管道重力和偶然的冲击载荷以及控制管道工作状态中发生的位移和振动。伴随着机组运行时间的累积，管系支吊架会发生一些变化，若支吊架部分或者全部丧失其作用，则会导致管道承载和约束条件发生变化，进而缩短管道的使用寿命，加剧管道振动现象。因此文章就汽水管道支吊架失效及管道振动治理谈谈个人的一些看法。

关键词：汽水管道支吊架；失效；管道振动；治理措施

管道支吊架是电厂汽水管道系统中的重要组成部分，具有安全承受管道荷载、合理约束管道位移、限制设备接口处的推力和力矩作用、增加管系的刚度及稳定性以及防止管道振动等功能。但目前随着我国电力行业的快速发展，机组容量和参数不断提高，加之火电厂工程设计、建设周期大幅缩短，设计和安装质量难免有瑕疵，从而导致机组调试、试运和商业运行中存在大量的问题。无论是新建或在役机组，汽水管道系统中都普遍存在着支吊架状态异常的问题。同时支吊架失效会导致管系偏离原设计，给管道及其所连接的相关设备的安全运行带来重大隐患。因此，全面系统地开展汽水管道支吊架的失效及管道振动治理工作十分必要。

一、管道支吊架检验与调整内容

管道支吊架状态检验与调整主要包括以下六个方面的内容：①在停机前，进行资料查阅及热态宏观检查。②停机后进行冷态宏观检查：对管道所有支吊架的管部、根部、连接件、弹簧组件、减振器与阻尼器进行全面检查。③根据设计资料，比对冷、热态检查记录，逐一核查支吊架检验各支吊架的型号、工作参数等是否与设计相符；并对管系进行应力校核计算。④综合分析设计资料、检查情况以及应力计算结果对管道及支吊架运行情况进行综合分析评价，制定支吊架整改方案。⑤利用机组检修的机会，根据调整方案，对存在问题的支吊架进行调整及整改。⑥整改后支吊架热态复查及微调。

二、管道支吊架失效

支吊架失效将对管系导致一系列不良后果。改变管系应力分布不合理；加大局部管段的变形，管系局部应力增大甚至超标；设备接口处推力和力矩大幅提高等。

（一）管道支吊架失效的原因

导致电厂管道支吊架失效的原因有多种，总结起来主要有以下几个方面：

（1）设计原因：因机组容量和参数的提高、热力系统日益复杂设计难度加大、电厂建设周期短、设计人员现场实际经验不足等原因导致设计质量存在问题。主要表现在：管系支吊点位置设置不合理、支吊架载荷或位移与实际情况不匹配、支吊架选型错误、载荷考虑不周全等。（2）制造原因：供货商良莠不齐，部分厂家生产质量比较劣质，导致恒定度较差、载荷离差不符合要求、公差配合较差导致转动部件卡涩、套筒脱开、弹簧失效等。（3）安装原因：因施工人员技术水平、未进行全面技术交底、人为误差等原因，在安装或更换支吊架时，导致安装情况与原设计不一致，造成管系载荷、位移分布发生变化。主要表现在：定位销钉未去除、偏装错误、缺装、错装等。（4）运行维护：大修或技改过程中管道部件改动后忽略其对支吊架的副作用，导致支吊架工作载荷和位移发生变化，日积月累进而导致局部支吊架失效、管系局部应力升高甚至产生连锁反应危急管系整体安全。在调试、日常巡检、检修期间未及时完善支吊架相关的检查、记录和安全评估，未及时消除安全隐患。主要表现在：吊架偏斜、管道振动、支架脱空、阻尼器渗漏油等。

（二）对失效的管道支吊架的处理

对失效或工作状态异常的支吊架应及时处理。处理方法一般包括损坏支吊架的恢复和支吊架的调整。

1.损坏支吊架的恢复

支吊架损坏形式不同其处理也不一样，如：对管部断裂、连杆扭裂、弹簧断裂的支吊架，应依据设计资料予以更换；对转体锈死的吊架则采取清理或重新组装来予以恢复等。

2.支吊架的调整

由于管道部件相关性能参数，如管壁厚度、管道中的管件（如阀门、三通等）重量与实际使用的不完全一样，使局部支吊架实际承受载荷与设计值存在较大的差异，导致支吊架工作异常。但可以通过反复调整支吊架，改善应力分布使其实际承受载荷与设计值接近。通常地，支吊架调整方法有两种：（1）管系应力分布不变法调整：保持原有管系设计不改变，对与设计要求差距大的吊点吊架进行调整，使其接近设计值。（2）管系应力重新设计法调整：对管系应力重新设计，对不能满足重新设计（主要是指载荷和热位移）的支吊架重新选型更换，并对附近区域支吊架进行调整，使其满足设计要求。

三、主蒸汽管道模态分析

某发电厂现场检查发现锅炉侧主蒸汽管道在A与B两处弯头处，存在明显的高幅低频晃动，长期持续的振动，会导致相关附件（焊缝、弯头、阀门、管座及热工元件等）产生疲劳裂纹，危及机组的安全运行。管道振动问题大致分为2类：发电厂设备，如泵的启停、阀门开启和关闭等都会引起管道及设备发生短期振动，即瞬态振动；管道在运行中也会发生长期的重复振动，即稳态振动。该主蒸汽管道处于稳态运行，振动期间没有发生设备的启停和阀门的关闭，属于稳态振动。根据主蒸汽管道的设计图纸和参数，利用有限元CAESAR软件建立主蒸汽管道模型，进行模态分析，模态分析结果表明，主蒸汽管道第1阶固有频率0.91Hz，其振型以弯头处Y方向（汽机房-锅炉房方向）为主；第2阶固有频率为1.32Hz，振型以弯头处X方向（固定端-扩建端方向）为主。模态分析的第1阶及第2阶固有频率对应的振型与在现场观察到的管道主振型特征相吻合。蒸汽存在压力脉动，紊流蒸汽在弯头处冲击管壁产生激振力的频率与管道固有频率接近，产生共振，从而导致管道振幅明显增加。

（二）治理措施

1.采用增设限位支架改变管道刚度

管系的固有频率与刚度有直接关系，刚度越大，其固有频率越高。在管系上增设限位支架可以增大管系刚度，提高管系固有频率从而偏离激扰力频率避开共振。通过在1和4处增设X与Y向的限位，在2和3处增设X方向限位。经计算管系固有频率得到大幅增加，但增设的限位支架改变了管道的膨胀走向。原设计在弯头处Y反方向存在190mm的热位移，增设限位后弯头处热位移仅为30mm。锅炉过热器出口的膨胀和水平管道自身产生的膨胀，无法得到合理释放，管道二次应力超标。为保证应力合格，需要重新对管系进行布置，而且需要对管系支吊架进行大范围选型更换，成本较大。

2.采用增设阻尼器改变管道阻尼比

管系在弯头附近热位移较大，采用增设限位支架会导致管系膨胀不畅，二次应力超标。阻尼器在不受突加载荷时为柔性支撑，能随管系自由膨胀，当管系受外部载荷则自锁成刚性拉杆，适用于低频减振。根据模态计算结果，管系弯头A和B处的振幅最大。结合锅炉钢结构布置情况，在管系位置5和7处增设Y方向阻尼器，在位置6和8处增设X向阻尼器。同时调整调整弯头附近弹簧支吊架。治理后，主蒸汽管道振幅大幅降低，减振效果明显。可见在管道系统振幅较大位置增设阻尼器后，增大了阻尼器比，减小了振幅放大系数，从而使管道振幅大幅降低。

总之，支吊架状态存在异常，会增加管道应力。根据现场检查，结合工程实际经验提出的相关调整措施，可有效解决支吊架的状态异常，使管系受力合理。主蒸汽管道高幅低频振动是由于蒸汽压力波动，在弯头处产生的激振力扰动频率与系统固有频率接近引发共振引起。对管道进行模态分析，得到系统的固有频率，结合现场情况增设阻尼器，有效地降低了管道的振动幅度。

参考文献

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[2]陆春燕.火力发电厂汽水管道支吊架检验与调整[J].设备管理与维修，2013（S2）

[3]赵轩.汽水管道振动原因分析及治理[D].哈尔滨工程大学，2012