摘要：通过具体实例对热力系统管道振动问题原因进行了深入的分析和研究,找出了热力系统管道振动的根本原因,提出了热力系统管道振动问题的解决方法，并采取有效地治理措施，实施后取得良好效果。
关键词：热力系统 管道 振动 对策
河北国华定洲发电有限责任公司二期工程2*660MW超临界空冷机组，分别于2009年9月和2009年12月投入商业运营，其中锅炉为上海锅炉厂生产的型号为SG-2150/25.4-M976的超临界参数变压运行直流炉，四角切向燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、半露天布置、全钢构架的∏型锅炉。汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的CLNZK660-24.2/566/566 型超临界、一次中间再热、单轴、二缸二排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。二期机组自投产试运以来，除氧器至31/32/33前置泵低压给水管道、31/32/33电动给水泵给水再循环管道、2号、3号高压加热器正常疏水管道、高压给水管道等多条管道在负荷变化工况下均存在较为严重的振动问题，严重威胁管道甚至整个机组的安全运行，必须通过有效振动综合治理将管系的振动幅度和频率控制在安全范围之内，使管道和机组安全
可靠运行。
1、 问题概述
管道振动的实质是管道及与之连接的设备、装置以及支吊架所构成的结构系统在复杂空间力系作用下的运动问题。管道振动是一种常见的现象。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;管系在运行中也会发生长期的重复振动，即稳态振动。
压力管道的激振源可分为来自系统自身和系统外两大类。来自系统外的有风荷载、地震荷载等。来自系统自身的主要有管道设计不合理造成系统振动、与管道直接相连接的机器、设备的振动和管道液体的不稳定流动引起的振动，比如：
⑴管道支吊架松动、断裂，起不到固定和悬吊的作用;
⑵管道太长、支吊数量不足或布置位置不合理;
⑶与管道连接的设备或泵工作不正常，泵出口压力波动过大;
⑷管道上的阀门操作速度太快，引起管道内部介质流速的急剧变化，形成水锤而造成管道振动;
管道振动会产生强力的噪音，使巡检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。强烈的管道振动会使管道结构、管路附件产生疲劳破坏，特别是管道的连接部位发生松动或破裂，轻则引起泄漏，重则由破裂而引起爆炸造成严重事故。管道振动还会引起基础龟裂，导致与设备连接接口提前损坏，使阀门控制装置松动失灵，造成控制仪表管路开裂失效等。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。
2、 管道振动原因分析
自机组投产试运以来，除氧器至31/32/33前置泵低压给水管道、31/32/33电动给水泵给水再循环管道、2号、3号高压加热器正常疏水管道、高压给水管道等多条管道在负荷变化工况下均存在较为严重的振动问题。
2.1热力系统管系振动治理涉及的管系主要有：
2.1.1 31/32/33电动给水泵给水再循环管道;
2.1.2 除氧器至31/32/33给水泵前置泵入口低压给水管道;
2.1.3 高压主给水管道;
2.1.4 2号高压加热器正常疏水管道;
2.1.5 3号高压加热器正常疏水至除氧器管道;
2.1.6 7号低压加热器危急疏水管道;
2.1.7 除氧器溢流放水管道;
2.1.8 炉侧疏水泵疏水至疏水扩容器管道;
2.2除氧器至31/32/33前置泵低压给水管道振动严重的主要原因如下：
2.2.1除氧器至前置泵管道中的流动介质是来自除氧器的水，流场复杂对管道产生了较强的激振力，造成了管道的强迫振动。
2.2.2管道在除氧器的出口可能存在涡旋流动，带入不少蒸汽进入管道，造成多相流动，从而产生振动。
2.2.3除氧器出口三条到前置泵管道的长度和弯头数量不同，其中A管最长，C管长度次之，B管最短，由流体力学的原理可知，同样流量的水在通过不同长度和弯头的管道时所受到的阻力是不同的，管道越长弯头越多，阻力越大，因此A/B/三条管道在泵功率相同的情况下，有可能产生不平衡激振力。
2.2.4该段管道的介质流向发生多次改变，在很短的距离内就发生多次急转弯，在弯头处释放出大量的能量、产生附加作用力，进一步放大了流体的激振作用，从而引起管道振动;
2.2.5该段管道的支吊架设计不合理，首先主要表现为弹簧支吊架吊杆太长，无限位导向减振结构，不利于迅速及时地吸收振动释放出的能量，而是沿管道传递，造成振动的进一步放大;
2.2.6管道流体的脉动压力，介质流动存在周期性的脉动，因此，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”;
2.2.7管道的壁厚较薄，重量较轻，抗振动能力较弱，容易发生共振，据电厂技术人员介绍，当泵转速在900～1400转/分, 流量为630～640时,管道振动最为严重。
2.3高压给水管道系统振动(晃动)严重的主要原因如下：
2.3.1该段管道中的介质流向发生多次改变，在很短的距离内就发生2次90度急转弯，在弯头处释放出大量的能量，产生附加作用力，进一步放大了流体的激振作用，引起管道振动;
2.3.2该段管道的支吊架设计不合理，首先主要表现无限位导向减振结构，不利于迅速及时地吸收振动(晃动)所释放出的能量，而是沿管道传递，造成振动(晃动)的进一步放大;
2.3.3管道流体的脉动压力，介质流动存在周期性的脉动，因此，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”;
2.3.4由于电厂水汽系统采用空冷，其给水系统中可能存在有未凝结的水蒸汽，或存在二次汽化现象，使得给水管道系统中为汽液两相流，从而引起整个给水管道多处振动(晃动)。
2.4其它几条振动管道都属于疏水管道，其发生振动的原因可以从以下几个方面来加以分析：
2.4.1管道支架松动、断裂，起不到固定和悬吊的作用。如果发现此类情况应进行重新坚固和更换。我们对现场左右的支吊架作了详细检查，情况是：固定支架与管道有效接触;弹簧吊架处于正常工作中间位置。
2.4.2管道太长、支吊数量不足或布置位置不合理。应增加支吊数量和对其位置重新布局。从这个角度检查，我们仔细勘察了支吊架的布置，然而，支吊架的布置也没有明显不合理。
2.4.3各加热器疏水管道出现两相流动，而引起管道振动。
2.4.4管道内部积水。应开启相应管道上的疏水门，排尽积水。由于高加至除氧器疏水本身是汽液两相流，对管内的积水不会受其影响，可以排除这方面的因素。
2.4.5各管道自然补偿弯管处的疏水点位置布置不当或数量不足。应改善疏水路或增加疏水点由于高加至除氧器疏水管从0米到除氧平台线路长，弯头多，再有弹簧吊架的支撑，工作温度仅250℃，向上和水平热膨胀的空间很大，这从现场固定支架和弹簧吊架的状态可以判断出来。
2.4.6高加泄漏，会引起疏水量的异常，和水位的异常，需要重点检查。
2.4.7暖管不充分使管道内部温差较大，产生过大热应力而引起管道振动。从设计上对高加至除氧器疏水管未作具体的温升要求，由于高加至除氧器疏水管从0米到除氧平台线路长，弯头多，又有弹簧吊架的支撑，向上和水平热膨胀的空间很大，不需要考虑向除氧器疏水的.暖管因素的影响，即便是有影响，也只能是暂时的，正常运行以后便会消失。
2.4.8管道本身结构上不合理，管件繁琐，引起工质流动性受到过多干扰，流体内部产生大量剧烈扰动，通过管道的振动表现出来。
3、 管道振动治理方案
通过对各类管道振动原因加以分析可以看到，要解决管道振动问题需要研究两个振动系统，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。管道的减振可以通过两个途径加以解决：
(1)控制管流的压力脉动，使其不产生谐振;
(2)调整管系结构的固有频率，使其不产生机械振动。
通过现场勘测和分析论证表明，汽水管道振动主要是由介质不稳定流动对管道内壁产生激扰而引起的振动。对这类振动国内目前比较成熟的减振措施都是从以下几方面考虑：
①从优化运行角度降低振动：例如对于疏水管道可以从运行方式上作了些试验，控制好加热器水位、压力，避免无水位运行，反复调整高加水位、疏水量(同时操作高加危急疏水电动阀来配合，防止出现高位水和低水位的危险工况)，在不同疏水量的前提多次对比管道振动变化。
②管道本身的布置的合理性以及阀门、截流装置等管件对管内介质流动的影响：例如管道弯头设置较多，流体流动时，总是受到摩擦力的阻滞，也就是所说的沿程阻力;同时，流体与局部装置之间发生碰撞、产生漩涡，使流体流动受到阻碍，就是局部阻力，这种阻碍多产生在急变流动区域。可以通过改变管道布置和适当优化阀门等管件的方法来消除管道内流体对管道的激扰作用。
③介质激振力与管道固有频率的相关性：在优化运行和改变管件设计无法实现的情况下，可通过提高管道系统的刚度降低管道振动,这也是目前国内处理管道振动最常用的方法。同样，这种方法也可用于给水管道及疏水管道等其它类型管道振动治理。
采用提高管道系统的刚度来改变固有频率从而达到消除振动的目的，这一方法的优势在于：
可以在现有管系走向及支吊不变的情况下实现;
管道振动治理改造工程投资小;
管道振动治理改造工程实施及改造后运行的风险小;
管道振动治理改造工程易实施;
所以该方案是达到提高管系刚度，改变结构的固有频率，有效地防止管系结构发生共振破坏的可取方案。
根据上述振动原因分析研究，确定主要采取增加管系刚度的方法对机组管道振动进行治理，对管道振动严重同时热膨胀较小的部位进行限位加固;对热膨胀较大的部位加装液压阻尼器控制管道冲击性振动，由于在管道热膨胀过程中，液压阻尼器允许管道自由热位移，而不对管道产生附加应力。增加减振装置后对管道重新进行了应力校核计算，计算结果表明管道最大一、二次应力满足设计要求。
4、 方案实施
4.1利用机组首次检修机会进行实施，具体减振措施如下图示：
图1: 31/32电动给水泵给水再循环管道减振位置及结构示意图
图2: 除氧器到31/32/33电动给水泵前置泵管道减振位置及结构示意图
图3: 3号高压加热器正常疏水管道减振位置及结构示意图
图4: 2号高压加热器正常疏水管道减振位置及结构示意图
图5: 高压给水管道减振位置及结构示意图
图6: 7号低压加热器危急疏水管道减振位置及结构示意图
图7: 新增双向限位支座装配示意图
图8: 液压阻尼器结构示意图
4.2热力系统管道振动治理加装部件清单如表1(两台机组)：
表-1：
序号名称规格及型号数量
1轴向限位管夹XD2.219R6
XD2.426R6
XD2.273R2
2径向限位管夹XD1.377R4
XD1.508R4
XD1.219R1
XD1.219R3
3支承座XG1.206
XG1.2515
XG1.354
4可调刚性拉撑杆XL1.20(L=900㎜)6
XL1.25(L=500㎜)2
XL1.25(L=2150㎜)1
XL1.25(L=2500㎜)2
XL1.35(L=1125㎜)4
5液压阻尼器
(油缸内置式)ZN11C-C63×150-b-256
ZN21C-C63×150-b-254
6双径向限位支座XZ2.219S6
XZ2.377S4
XZ2.426S12
XZ2.273S2
XZ2.508S2
7槽钢(国标)#1212米
#1648米
8工字钢(国标)#2048米
9钢板200×200×2016块
200×200×1016块
200×200×516块
200×200×816块
200×40×2016块
5、 结 论
通过有效振动综合治理将管系的振动幅度和频率控制在安全范围之内，确保管道在启停和运行过程中，无管路振动或受力不均而影响管道正常运行等现象发生，保证管道和机组安全可靠运行。
参 考 文 献
[1]《管道支吊架》.GB/T17116.
[2]《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》. SDGJ6-90.
[3]吴伟强等.河北国华定洲发电有限责任公司二期扩建工程4号机组热力系统管道振动治理方案.2010年
[4]《火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则》.DL/T 616-2006.
作者简介：
季广辉(1983年-)，男，河北保定人，大学学历，河北国华定洲发电有限责任公司安全技术部点检工程师
090576@ghepc.com
15832273627
王颖(1982-)，女，河北保定人，大学学历，北方设计研究院热能电力所，设计工程师。
王健(1982-)，男，河北承德人，大学学历，承德供电公司隆化分公司客服分中心副主任。