浅谈火电厂汽水管道几种典型的振动

1、浅谈火电厂汽水管道几种典型的振动类型摘要 ：介绍了电厂汽水管道几种常见的振动，分析了其原因，总结了预防和处理办法。(6 未加)关键词:电厂；汽水管道；振动 1、前言汽水管道振动是是电厂运行中的一种常见的现象 ，振动的存在不仅会降低管道和设备的使用寿命 ，而且振动导致的管路泄漏或断裂会危及到设备的使用安全性，甚至造成机组非停或人身伤亡等事故。在解决管道振动问题时，首先应该分析清楚管道振动的原因，再根据实际情况进行管系的布置修正和加固。2、振动的现象电厂汽水管道振动非常普遍，主要表现为管路及其支吊架的摆动并伴有“碰碰”的噪声，振动的时间多发生在启停机和变工况的时刻，振动地点多发生在主蒸汽管道、高低

2、加之间正常疏水和危急疏水管路、水泵的出入口管路及再循环管路，高温高压容器或主蒸汽管道的有压放水母管等管路。3、振动的原因根据管道振动 的理论分析 ，管道及其支架和与 之相连接的各种设备或装置构成 了一个复杂的机械 结构系统 ，在有激振力的情况下 ，这个系统就会产生 振动 。研究管道振动，要从两方面考虑 ：一个是减 小激振力 ，从根源上消除振动l2 ；另一个是改变管道 结构 ，即从结构研究的角度来降低管系对外界激振 力的响应。 21 激振力 动力管道的激振力有来 自系统 自身和系统外两 大类，其中前者是管道振动的主要诱因。来 自系统 自身的激振力 主要是管道内部流体的不稳定流动引 起的振动，来

3、自系统外 的激振力主要是与管道相连 接的机器、设备、平 台等的振动和风载荷、地震载荷 等 。工程中引起激振力的常见因素有： a管流脉动引起的振动。管道输液 (气 )需通 过泵或压缩机加压作为动力，这种加压方式是间隙 性的，由于间隙加压 ，管道 内的压力在平均值的上下 脉动(或称波动)，即产生压力脉动 ，管 流处于脉动 状态。脉动状态 的流体遇到弯管头 、异径管 、控制 阀、节流孔板、盲板等管道元件 ，产生随时问变化的 激振力 ，使管道及其附属设备产生振动 。 b液击振动 。在输送 液体 的管 道中，由于生 产过程的调节 ，有时需要突然启 、停 阀门、水泵和水 轮机 ，这时管道内液体 的速度会突

4、然发生变化，液体 速度的变化使液体的动量改变，反映在管道 内的压 强迅速上升或下降，并伴有液体锤击的声音 ，这种现象称为液击 ，也 叫做水锤或水击 。液击造成管道 内 压力的变化很大，严重时可使管子爆裂，迅速降压而 形成负压，使管子失稳 。液击还经常导致管道振动， 发出噪音，严重影响管道系统的正常运行 。 C管道内流体流速过快，因而流体 与管道边界 层分离而产生湍流 ，引起振动。 22 管 系 管系是连续弹性体，当管系的固有频率与激振 力的频率接近时会发生共振现象 ，使 系统振动大大 加强。对于简单管系的结构 固有频率的计算 ，理论 力学有较详细的介绍 。一个复杂的管系在工程上大 都用有限元法

5、计算 ，将管系分成若干个单元，一般 将一段直管作为一个管单元 ，弯管处理成弯管 单元 或若干根截面与弯管相等 的直管组成的折线代替； 法兰和阀门作为集中质量来考虑 。理论 上 讲汽 水 管 道 振 动 的 分 析 ，就 是 研 究 管 道 系 统 的 外 界 激 扰 力 、管 系 响 应 及 管 系 自 身 振 动 特 性 的 3个 方 面 。某一管路振动的原因可能只是单一的，但也有可能是多种因素综合的结果，常见的振动因素主要有以下几种。根据管道振动的理论分析，管道及其支架和与之相连接的 各种设备或装置构成了一个复杂的机械结构系统，在有激振力 的情况下，这个系统就会产生振动。研究管道振动时，要

6、遇到 2 个振动系统 ：一个是管道结构系统，即从结构研究 的角度来确 定结构对流体激发的响应 ；另一个是流体系统 ，即从流体研究 的角度来确定流动的规律和它对结构的激发作用l2J。 压力管道的激振力可分为来 自系统 自身和系统外 2大类。 来自系统 自身的主要有与管道直接相连接的机器、设备的振动 和管道内部流体的不稳定流动引起的振动；来 自系统外的有风载荷、地震载荷等，其中前者是管道振动的主要诱 冈。振动对压力管道来讲是一种交变动载荷，其危害程度取决激振力的大小和管道自身的抗振性能。其主要的影响因素如下：31 机械振动 当管道与相连的 工艺设备或机械设备发生振 动时，传递到管系上引发的管道机械

7、振动。旋转机 械的转动部分由于制造误差、材料的不均匀性以及 运动中遭受不均匀侵蚀或损伤，它的重心就会偏离 轴线。转予的重心的偏离使其在旋转时产生一个不 断变换的惯性力，这种惯性力就是引起旋转机械振 动的主要周期性激振力。此外，由于轴承座在水平 方 向和垂直方向的刚度不同；轴承的刚度具有非对 称性的弹性特性 。3.1、管路的选型不对3.1.1 高速流引起的振动 管道内流体流速过快，因而流体边界层分离而产生湍流，引起振动。 湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此

8、种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。流体作湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。实验证明，能量耗损E与速度的关系为当流体流经减压阀、安全阀、喷嘴或其它节流，流体的流速急剧增加而达到了或接近临界，由此出现不稳定的流动状态，管道系统会产生强烈的振动，还发出噪声。 (1)由蒸汽管系频谱分析知管道的振动是由受 迫振动引起的，且振源位于截止阀附近分析蒸汽 管系结构可以发现，蒸汽在高速流经截止阀及其后 弯头时所形成的涡流引起蒸

9、汽的脉动，是导致管系 振动的主要原因蒸汽流过截止阀后虽然不改变流 向，但在流经截止阀内部时，由于阀内的弯头及阀 杆的作用使蒸汽的流向变为高进低出，蒸汽的压力 也由于弯头及阀杆的节流作用，相应经历由高到低 的变化，流向与压力的不断变化，使蒸汽在截止阀 后及弯管处引发涡流并形成脉动造成管系振动这 也是该电厂蒸汽管道振动的主要原因(2)现场观察发现，由于主蒸汽管道改造，管系原弹簧支吊荷载分配被破坏，载荷分配不均使弹簧支吊架失去减振作用甚至促使 了振动的形成与加剧； (3)改造后的管系刚度不足，尤其管道截止阀处上下位移没有固定，管道易产生受迫振动； (4)主蒸汽管道内蒸汽流速较大(57 ms左右)超过

10、了设计的标准值(40 ms)，也容易产生激振成管道 系统 振动 的原因 。通 常情况下分 析管道 系统 振动 的原 因 ，主要从 以下三个 方面考虑 ： 221 机 械系 统 的动力 平衡 性 。与管 道 系统相 连 的转动设备 (比如气 轮机组 、泵 等 )的平衡 力过大 ，将 引起设备本 身的振 动 ，如果基 础设施设计 不 当 ，转 机 的振 动将通过基 础 或其 他 设施 传 递给 管 道 ，牵 连 管 道 振 动 。 222 管 道 内部 流 体 流 动 状 况 。管 道 系 统 布 置 的 不和理情况 (比如 弯头过 多 、频 繁改 变 走 向)以及 管 件 (比如 阀门、孔板 )

11、对 流体 的作 用 ，使介 质流场 突然 改变 ，会导致 管道 振动 ；当流 在 管道 中流动 时 ，若 流速 过 大 并 超 过 某 一 允 许 流 速 时 ，也 可 能 引 起 管 道 振动 。所 以在管 道 的设 计 规定 中，一般 都 会根 据 管 道输送 的流体种 类 、应用 场合 、管 道种类 等因素 限制 管道 内流体 的允 许流 速 ：管道 内两 相 流及 “水锤 ”也 是 管 道 系 统 振 动 的 主 要 原 因 之 一 。 223 管道流 体 的脉 动压 力 。管道 内 的流体 输送 主 要 通 过 压 缩 机 或 泵 加 压 进 行 ，这 种 加 压 方 式 是 周 期

12、 性 的 ，因此 ，有 可 能 引 起 管 道 内 实 际 的 压 力 在 平 均 压 力 的上 下 波 动 ，即形 成 了 所 谓 的 “脉 动 压 力 ”。 这 种“脉动 压力”作 用于 管道 系统 ，会 引起 管道 系统 的 振动 ，如果 系统 的约束 不够牢 固或减震 性能不好 ，系 统 的振 动会 逐 渐 加 剧 。3.2、管路布置不合理3.3、发生共振112 流 体 涡流激振 当管内流速较大时，紊流边界层分离而产生涡 流，涡流的周期性释放，在管壁上产生周期性扰动 力，因而激起管道振动。当涡流释放的周期与管道的 自振频率一致时，涡流激起共振。涡流激振发生于蒸 汽绕流过挡板、阀门及分叉

13、管时，产生的振动频率一 般较高，且伴有较大的音频声发射。对于汽轮发电机 组的蒸汽管道，流速不是很大，并且管内没有挡板等 其它部件 ，发生流动涡流的可能性很小。 113 压 力脉动 引起 的 气柱谐 振 气 体的可压缩性和管道的弹性 ，在流体动力 学分析 中相 当于电路 中的电容，而气体的流动惯 性 ，相当于电路中的电感 ，从而构成类同于电路中I C谐振回路。在管端压力脉动时 ，气体的压缩和 膨胀产生周期性流动振荡。当压力脉动频率与气 柱的谐振频率相等时，即会产生共振 ，激起管道强 烈振动和发出强烈的噪声。这类扰动问题在轴流 式风机及风道中较易出现。当发生气柱谐振时 ，整 个管道基本上处于同一振

14、动频率 。 114 管流脉动激发管道振动 管内气体压力脉动时 ，气流也处于脉动状态。 脉动的气流流经弯头、管径缩扩 、调节门、孔板等 流动转 向、流速变化部件时，作用在管壁的气流动 量呈周期性脉动状态，因而诱发管道振动。 如图 1所示的弯头，如流体 的脉动压力值为 P，管道的通流面积 为S，弯头的弯角为 |8，则作用 F 图 1 弯 头 受 力t-g蒽 在管道截面上的脉动力大小为P5，将这两个力合 成，得到沿弯头分量的合力 R，其值为 R=2kSsin导 (1) 这就是由于脉动压力引起的作用在弯头上的 干扰力的大小。由式 (1)可见 ，R随弯角 的增 大 而增 大。P是随时间周期变化的，所以作

15、用在弯头 的脉动干扰力也随时间作周期变化。它们的变化 规律 ，可以用脉动压力分析的方法计算出来 。管道 中流动 的脉动气流，在遇到弯头、异径管 、盲板以 及阀门时出现激励力 ，从而使管道振动。3.4、水击现象在有压管道中，由于某种原因 (如阀门启闭，换向阀变换工位，水泵机组突然停车，管道中有气等)，使水流速度发生突然变化，同时引起管道中水流压力急剧上升或下降的现象，称为水击 (或水锤压力管道系统的水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题。水锤引起的压强升高，可达管道正常压强的几十倍至数百倍。另外，还会使管内出现负压。压强大幅波动，可导致管道系统强烈振动、产声，造成阀门破坏、管件接头破裂、断开，

16、甚至管道炸裂等重大事故。湖南华能岳阳电厂引进英国GEC公司2台3625MW机组。自机组调试、移交生产以来，高、低压给水系统多次发生水击现象，其中3台次造成停机，给电厂带来很大的经济损失。高压给水系统两次水击事故造成停机均发生在 2号机组。第一次发生在机组调试阶段，第二次发生在带负荷 340MW运行时，锅炉压力161MPa，给水压力191MPa，5号高压加热器水位趣高，激发6号高压加热器给水自动跳旁路，紧接着给水泵母管压力急剧波动，产生水击。引起锅炉给水管道大幅度摆动，部分吊架拉坏，给水流量取样管拉断2根，给水疏水管拉断3根，水大量外喷，水汽弥漫机房和锅炉区，机组被迫停运。.(1)安装水击消除器

17、。当管路中压力升高时弹簧受到压缩，于是打开了水的通路，水被排出而泄压， 因此降低了水击压力； (2)在水泵出口处增设泄压阀，采用被动的泄压方法让水击产生的压力增值释放掉，从而达到保护 管道及水泵的目的； (3)在循环泵前、后的管路之间安装止回阀的旁通管，可防止由于突然停泵引发的水击 ； (4)可适当增设缓闭单向阀，延长阀全部关闭所需的时间； (5)在较长管道中设置调压室，缩短管道长度，减小相长，可以缓和水击； (6)在管系上按规定安装排气阀，避免管道产生集气； (7)适当加大管径，限制管中流速可减小水锤强度。 42 建立安全操作规程 (1)合理延长管路阀门关闭时间，缓慢操作，禁止突然关闭阀门；

18、 (2)水泵启动、停车前完全关闭出水阀门； (3)加强巡视，确保管道及设备工况良好； (4)完善管理制度和严格执行操作规程、及时维修排除管系运行故障。 5 结语 压力管道系统的水击现象是难以避免的，水击的危害性很大，为此在设计上考虑水击作用的影响是很 有必要的。另外，很多事故是由于现场水泵或阀门操作不当造成的，因此管理 、操作人员要严格执行操作 规程，将水击发生的频率和水击所造成的损失降至最低。32 流体脉动 由于旋转机械的吸液或排液的周期性 、间歇 性 ，因而管内流体的速度忽快忽慢，压力忽高忽低， 形成 了一种不稳定的状态。本文所述蒸汽管道发生振动的主要原因，是高 速流动的蒸汽在流经截止阀及

19、其后弯头时产生涡 流而形成激振引发振动给 水 泵 转 动 时产 生 的振 动 传 递 到 相 连 的 蕾道 上， 属 于振动潭的传 递 省煤嚣人 口主培水蕾道攮动 ，特 别是 在 机组 带 32左 右 负 荷 时， 攮硇 时问222222222长、 频 率 高 、振幅 大 ，而在 带 满负 荷 时 情 况 尚好 ，这是 由 于 介 质 扰 动、剧 烈 的 紊 流 引起 的振 动 。 (2)培茎 票篙 羹 主萎的固定支架及限位支架少；部分支吊架松脱、跨落或失去作用，使个别支吊点失重，流体的冲击造成管道失稳晃动；管道布置不顺畅，流体阻力大。(3)高压加热器琉水管道的振动。高压加热器疏 水 管 道

20、上 的 琉 水 阀选 型时 ，流量 系 数计 算 有 误 ，琉 水 闷 通 径 选择 偏 小 ，工 质 流速 过 高 ，快 开 的 疏 水 闷使 工 质 产 生二 相 流 ，引起 “汽锤 或 水 锤 ： (2)管 道 布 置 中采 用 的 弯 头 较 多， 柔 性 过 大 ，增 加 了 流 体 对 管 道 的 激 扰 力， 流 体 变 化 频 率 和 管 道 白振34 汽液两相流 流体静管路尤其是节流元件时，其压力由于 沿程摩擦阻力或局部阻力而逐渐地下降。如果液体 压力降到饱和压力以下，这时部分液体就会汽化，产生汽泡就会破灭 。 当流体压力继续降低时，汽化和气体的比率将不 断增高，就会形成各种

21、各样的汽液两相流。在摩擦损 失比较大的长管线上 ，压力变化大 ，会有振动的发生。4、振动消除的办法针 对 所 确 定 的 管 道 振 动 原 因 ，采 取 以 下 有 效 措 施 ：(1)在 管 系 适 当 位 置 设 置 刚 性 约 束 ，如 固 定 支 架 、导 向 支 架 、滑 动 支 架 或 限 位 装 置 ，必 要 时 设 置 减 振 器 或 阻 尼 器 ；(2) 尽 量 将 转 动 设 备 产 生 的 振 动 与 管 道 隔 绝 开 ，以 使 管 道 不 受 外 界 振 动 力 的 激 扰 ： (3)消 除 振 源 ，即 消 除 管 系 的 激 扰 力 ，如 在 管 路 中 设 置

22、集 箱 、空腔 缓 冲 器 、滤 波缓 冲器 或 蓄 压 缓 冲 器 等 ，布 置 中 尽 量 少 用 弯 头 、变 径 管 等 ；f4)准 确 选 取 节 流减 压 阔件 ，如 疏水 阔 、节 流 阀 、调 节 阔等 ，使介 质 流 动 顺 畅 ；(5)蒸 汽 管 道 的 布 置 要 尽 可 能 增 加 坡 度 ，使 疏 水 通 畅 ，尽 量 不 要 出 现 U 型 段 ，形 成 积 水 。 造 成 水 击 振 动 。33 合理设计管道系统 (1)管道系统。基频共振振幅最大，高阶共振的振幅较小， 所以避开低频 振是解决问题的关键。目前的作法有调整管 道的走向、支承位置、支承结构及管道结构尺寸

23、等，将系统的固 有频率调高到激振力主频率的28 30倍以上。在工程中，由 于现场条件和工艺条件的限制，管道的走向和结构尺寸无法改 变，只有通过改变约束条件来改变系统的固有频率。 (2)应避免管道弯头急转弯。在压缩机管系的运行中，其 激振力主要产生于弯头和异径管的接头处 ，因此在管道的安装 中应辱量减少弯头的使用，使管道走向平直以减少激振力数 目，又因弯管处的激振力与转弯之角度相关，这是由于弯头处 弯管角越大则脉动压力引起的交变力越大，产生较大的管道振 动激振力，故减小转弯角度可以增强减振效果。 (3)消减液击。主要方法是缓慢关闭阀门，根据工艺要求 ， 尽可能缩短管道的长度 ；在管道靠近液击源附

24、近设安全阀、蓄 能器等装置，以释放或吸收液击能量。产 。 l 2消振措施 21在振动的管道上设置支撑 根据无阻尼强迫振动方程式 ：m+kx： Fosm t。其中m和k值与管系的形式有关 ， 根据固有频率的定义式 ：【o 当作用于管道上的激振频率等于或接近 于固有频率 时就会产生共振 ，要避开共振区 必须使增大或减小 ，增强管道结构的刚性 k 值或减小系统质量 m，频率(o就会有所变化 ， 现场一般采取调整支撑或加固管道的办法来 增强刚性k值。事例：某钢厂空压站内装设了 4台日本二手空压机设备机组，空压机形式为 对称平衡式 ，铭牌出力为5t2m3min，排气压 力为 085MPa，其中 l#、2

25、# 机组功率为 250kW ，3#、4# 机组功率为 240kW ，在空 压机试运转时 ，由于当时空压机的二级缸出口 至后冷却器之间的管段缺乏牢固的支撑，结构 固有频率则较低 ，以至此管段出现了较大的振 动 ，当达到位移共振频率时 ，振幅约 40ram。 通过对振动情况进行了系统的分析 ，认为改变 管道的刚性k值与质量 m的比值，使固有频率 得到变化 ，是减小振动的有效措施。因此，为 了增加管道结构的刚性，在几个关键点处做了22改变支架的形式 当动力管道发生振动时 ，采取改变支架形式的作法是解决管振 问题 的方法之一 。例如：在解决某厂空压站管道振动问题时对原有的支架形式做了改变，其方法就是在支座与管道之间或两两0性件的接触面之间增加