電廠EH 管道振動(dòng)原因分析及解決方案

1、.電廠EH 管道振動(dòng)原因分析及解決方案王志紅 龐占雄 趙宏偉 裴燕萍（國(guó)網(wǎng)能源神頭二電廠 山西 朔州 036011）【摘 要】本文主要針對(duì)某電廠#3 機(jī)存在的主機(jī)抗燃油管振動(dòng)及斷裂的原因進(jìn)行了分析，找出了解決主機(jī)抗燃油管振動(dòng)的方法。對(duì)國(guó)內(nèi)同類(lèi)機(jī)組有一定的借鑒?！娟P(guān)鍵詞】#1 機(jī)主機(jī) EH 油 振動(dòng) 原因分析 解決措施1 概述某電廠#1 機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)改為電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，EH 油管道發(fā)生較大振動(dòng)，并多次振裂引發(fā)漏油。EH 油系統(tǒng)的油泵為柱塞泵，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1470 轉(zhuǎn)/分，柱塞泵的活塞數(shù)量為9 個(gè)。EH 油管道為不銹鋼管道，內(nèi)徑約為1.9cm，壁厚為0.3cm，圖1 為壓力油管道布置圖（由于改造時(shí)工

2、程承擔(dān)單位沒(méi)有給管道布置圖，該圖為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后繪制）。管道的彎頭絕大部分為90 度彎頭，在某些部位布置有管道支架。圖1 主調(diào)門(mén)管道西南等軸視圖2 振動(dòng)測(cè)量與分析2.1 振動(dòng)測(cè)量分別在開(kāi)機(jī)與停機(jī)兩種工況下，分別對(duì)管道振動(dòng)狀態(tài)和管道自振特性進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)附件一和附件二。測(cè)量表明，管道的自振頻率呈現(xiàn)分散狀態(tài)。機(jī)組運(yùn)行工況下，管道振動(dòng)頻率基本上為223Hz，與管道自振頻率關(guān)聯(lián)關(guān)系不明顯，表明管道發(fā)生了強(qiáng)迫振動(dòng)?？拷鼊傂灾蔚奈恢?，全國(guó)火電600MW 級(jí)機(jī)組能效對(duì)標(biāo)及競(jìng)賽第十五屆年會(huì)論文集 汽機(jī)111剛度較大管道振動(dòng)較小，懸空管道剛度小振幅較大，與主機(jī)接口部分的管道由于支撐剛度較差，發(fā)生了較大振動(dòng)

3、。2.2 振動(dòng)分析由測(cè)量可知，管道發(fā)生了強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)的原因可能有兩個(gè)：一是由于管道內(nèi)液體壓力脈動(dòng)，在管道彎頭處，液體壓力脈動(dòng)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，給管道一激振力，引發(fā)管道振動(dòng)；二是機(jī)組或油泵振動(dòng)較大，振動(dòng)傳遞到油管道。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，機(jī)組和油泵并沒(méi)有發(fā)生明顯振動(dòng)，而且管道振動(dòng)頻率與機(jī)組振動(dòng)頻率沒(méi)有關(guān)聯(lián)，所以可以排除管道振動(dòng)是由機(jī)組振動(dòng)引起的。管道振動(dòng)應(yīng)該是由于管道內(nèi)壓力油脈動(dòng)引起的。管道內(nèi)，油液柱可以壓縮、膨脹，是一個(gè)彈性體，同時(shí)，液柱又有一定的質(zhì)量，所以液柱本身是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，液體的壓力脈動(dòng)會(huì)使液柱本身發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)脈動(dòng)頻率和液柱本身固有頻率接近時(shí)將會(huì)發(fā)生液柱的共振；另一方面，脈動(dòng)的液柱遇到管道的彎

4、頭或變徑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，當(dāng)壓力脈動(dòng)頻率接近某段管道的固有頻率時(shí)，即會(huì)使該管道發(fā)生共振，使得該管道出現(xiàn)較大的振動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)使用的柱塞泵轉(zhuǎn)速為1470 轉(zhuǎn)/分，有9 個(gè)活塞，因此管道內(nèi)壓力油的脈動(dòng)頻率應(yīng)為220.5Hz。測(cè)量結(jié)果顯示管道各個(gè)部分的振動(dòng)頻率基本都是223Hz 左右，兩者基本一致。所以可以認(rèn)定管道的振動(dòng)是由液體脈動(dòng)在彎頭處的沖擊響應(yīng)，即管道振動(dòng)是由于管道內(nèi)壓力油脈動(dòng)引起的。3 減小管道振動(dòng)措施對(duì)于由壓力油脈動(dòng)引起的振動(dòng)。控制振動(dòng)要從A.控制壓力脈動(dòng)、B.改善管道振動(dòng)特性和C.吸收振動(dòng)能量三方面入手。具體措施如下：A壓力脈動(dòng)控制：柱塞泵為往復(fù)式壓縮機(jī)，由于往復(fù)式壓縮機(jī)間歇性和周期性吸排液

5、，管道內(nèi)流體必然呈脈動(dòng)狀態(tài)。不可能完全消除壓力的脈動(dòng)，而是想法將其控制在允許的范圍內(nèi)。3.1 在管路上加裝緩沖器3.1.1 緩沖器作用緩沖器是最簡(jiǎn)單而有效的消振措施。它能使緩沖器后面的管道內(nèi)的液流變得緩和。油壓脈動(dòng)就是管內(nèi)油壓力不均勻，壓力不均勻度反映介質(zhì)壓力上下波動(dòng)的程度,管道振動(dòng)振幅與其成正比，穩(wěn)定的出入口液流有助于減少液流的脈沖振動(dòng), 減少液流壓力脈沖的最有效方法是設(shè)置緩沖器。緩沖器的設(shè)置等同于增加了管道的直徑,從而降低液體的壓力不均勻度,達(dá)到減小振動(dòng)的目的。#1 機(jī)組壓力油管道，在柱塞泵出口和機(jī)頭位置各設(shè)置了一個(gè)蓄能器，蓄能器也具有一定的減振作用。柱塞泵出口蓄能器半徑為113mm,高為

6、900mm，體積為0.36m3；機(jī)頭位置蓄能器半徑為115mm，高為1560mm,體積為0.65m3,二者都為立式結(jié)構(gòu)，液體出入口采取三通形式。由于蓄能器和管道的連接方式為三通形式，蓄能器的減振作用很小，所以需要在管路上增加緩沖器。3.1.2 緩沖器結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)蓄能器的結(jié)構(gòu)不利于液體流經(jīng)緩沖器，大部分液體直接從入口流向了出口，蓄能器并沒(méi)有全國(guó)火電600MW 級(jí)機(jī)組能效對(duì)標(biāo)及競(jìng)賽第十五屆年會(huì)論文集 汽機(jī)112發(fā)揮應(yīng)有的作用。實(shí)地測(cè)量時(shí)，蓄能器前后的振動(dòng)振幅基本一樣，這也說(shuō)明了脈動(dòng)壓力并沒(méi)有得到平衡。所以在管道增設(shè)緩沖器時(shí)，建議將液體的出口入口分別設(shè)在緩沖器兩端，使液體能夠得到充分的緩沖，并且采用臥式

7、結(jié)構(gòu)。3.1.3 緩沖器尺寸緩沖器的尺寸關(guān)系到緩沖器是否能夠起到減少脈動(dòng)壓力的作用。緩沖器的尺寸過(guò)小就不能起到緩沖的作用；過(guò)大則會(huì)浪費(fèi)體積。一般情況下，緩沖器的尺寸為柱塞泵活塞一次沖程液體體積的10倍以上就可以起到較好的緩沖效果。按照該原則，適當(dāng)增加蓄能器尺寸，內(nèi)徑增大到140mm，L 增大到690mm，容積約為53338133 mm3。由于容器內(nèi)部承受一定液體壓力，對(duì)其壁厚進(jìn)行安全計(jì)算。壁厚按照GB150-1998 計(jì)算，即式（1）。2 P DP= （1）其中，P 為內(nèi)壓，為焊接接頭系數(shù)=焊縫區(qū)材料強(qiáng)度/本體材料強(qiáng)度1，為材料許用應(yīng)力。此處設(shè)計(jì)內(nèi)壓最大為18MPa，焊接接頭系數(shù)取1，材料選用

8、較常用的不銹鋼材料0Cr18Ni9，經(jīng)機(jī)械手冊(cè)查詢(xún)材料許用應(yīng)力205MPa，代入式（1）計(jì)算容器壁厚為6.4mm，對(duì)其進(jìn)行圓整，取壁厚為7mm，見(jiàn)圖2。圖2 臥式緩沖器結(jié)構(gòu)圖3.1.4 校核考慮實(shí)際情況下管道可承受的疲勞強(qiáng)度，對(duì)上述尺寸進(jìn)行校核。對(duì)于神頭主調(diào)門(mén)振裂的情況，初步考慮為端口處在脈動(dòng)壓力的長(zhǎng)期作用下，超過(guò)其疲勞強(qiáng)度，最終導(dǎo)致其斷裂。所以在此，利用美國(guó)凱洛格(Kellogg)公司的緩沖器體積計(jì)算公式，綜合考慮管道的疲勞強(qiáng)度，設(shè)計(jì)計(jì)算緩沖器尺寸。具體方法如下：首先，根據(jù)管道材料、形狀，通過(guò)查相應(yīng)手冊(cè)，得到管道的靜強(qiáng)度極限b ；然后，由靜強(qiáng)度極限b 得到管道的循環(huán)疲勞極限1 彎，進(jìn)而得到脈

9、動(dòng)疲勞極限0 彎，見(jiàn)式（2）、（3）；1 (0.4 0.5) b 彎= （2）0 1 1.7 彎= 彎 （3）全國(guó)火電600MW 級(jí)機(jī)組能效對(duì)標(biāo)及競(jìng)賽第十五屆年會(huì)論文集 汽機(jī)113第三，求解彎頭處最大脈沖壓力。壓力脈動(dòng)在彎頭處會(huì)產(chǎn)生激振力，這個(gè)激振力是端口處脈動(dòng)壓力的產(chǎn)生原因，即力F 在B 斷產(chǎn)生一個(gè)力矩M=F*L，見(jiàn)圖3。所以可以由端口處脈動(dòng)壓力反求彎頭處最大脈動(dòng)壓力，即管道中的液體壓力，見(jiàn)式（4）-（7）：FA B圖3 管道與調(diào)門(mén)接口示意圖0 M W 彎 （4）4 4( ) / 64 1 3 (1 4 )/ 2 / 2 32W I D d DD D = = = （5） = d / D （6

10、）M = psL （7）式中：d 為管道內(nèi)徑，D 為管道外徑，s 為液柱橫截面積，L 為彎頭到端口的距離，p 為管道內(nèi)液體壓力。從式（4）-（7）可以看出，p 為唯一的未知數(shù)，這樣就可以通過(guò)端口處的最大疲勞強(qiáng)度求出管道內(nèi)液體的最大許用壓力；最后，利用美國(guó)凱洛格(Kellogg)公司的緩沖器體積計(jì)算公式計(jì)算緩沖器尺寸，見(jiàn)式（8）：* 2 18 (1 )p V AV =（8）式中：V*為每轉(zhuǎn)向緩沖器排入的液體量，Ap為衰減系數(shù)， 為管道內(nèi)壓力p和緩沖器pa內(nèi)壓力的比值。經(jīng)計(jì)算得出的緩沖器的體積為8027929mm3，即保證端口疲勞強(qiáng)度的最小尺寸。通過(guò)與原設(shè)計(jì)尺寸相比對(duì)顯示，原設(shè)計(jì)尺寸可以保證端口處

11、的疲勞強(qiáng)度，滿(mǎn)足要求。（5）蓄能器和增加緩沖器后的fluent 模擬結(jié)果比較利用fluent 模擬蓄能器和緩沖器的工作情況， 以一個(gè)正弦波：p=14.6e6+4.38e6*sin(1404.2919*t)作為入口輸入，測(cè)試二者的輸出。為蓄能器前后fluent 模擬壓力波動(dòng)的情況，從模擬結(jié)果上看，蓄能器前后的壓力峰值得到了明顯的降低，波動(dòng)頻率降低幅度不大。這也從另一個(gè)角度說(shuō)明了蓄能器沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。全國(guó)火電600MW 級(jí)機(jī)組能效對(duì)標(biāo)及競(jìng)賽第十五屆年會(huì)論文集 汽機(jī)114為增加緩沖器后fluent 模擬壓力波動(dòng)的情況，從模擬結(jié)果上看，緩沖器前后的壓力峰值得到了明顯的降低，降到入口處的0.0457

12、%；而且波動(dòng)頻率也大幅下降，入口處的頻率為223.5HZ，出口處的波動(dòng)頻率僅為2.7HZ。3.2 增大彎頭處曲率半徑脈動(dòng)的液柱遇到彎頭或變徑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)越大,產(chǎn)生的激振力越大,管道振動(dòng)的振幅和動(dòng)應(yīng)力越大?，F(xiàn)場(chǎng)大部分90 度的彎頭曲率半徑較小，現(xiàn)場(chǎng)彎頭處曲率半徑大多為15-20cm，見(jiàn)圖4，在彎頭處產(chǎn)生了較大的激振力。所以應(yīng)當(dāng)盡量增加彎頭部分的曲率半徑，建議將曲率半徑增大到30cm 左右，如圖5，避免液柱脈動(dòng)對(duì)彎頭的直接沖擊，減小激振力，從而減小振動(dòng)的振幅和動(dòng)應(yīng)力。特別是距離端口最近的彎頭要盡量增大曲率半徑，約30-50cm，減小焊口處所承受的交變應(yīng)力，避免斷裂。另外，在可能的情

13、況下，要盡量減少管系的轉(zhuǎn)彎。因?yàn)檫^(guò)多的轉(zhuǎn)彎會(huì)減小管系的剛度，使管系的機(jī)械固有頻率降低，引發(fā)共振。圖4 現(xiàn)場(chǎng)管道彎頭示意圖 圖5 增大曲率半徑后的彎頭示意圖B改善管道振動(dòng)特性：1、約束方式及約束位置管道的約束方式及約束位置對(duì)管道的振動(dòng)有較大的影響。首先討論約束的方式。約束方式基本可以分成兩種?，F(xiàn)在比較常用的約束方式是剛性的約束，即將管道固定在基礎(chǔ)上，增加管道系統(tǒng)的剛度，從而減小振動(dòng)，避免共振，這種方法一般是利用剛性材料制成的管卡對(duì)管道進(jìn)行約束；另外一種是阻尼約束，即在管卡和管道間隙處填充阻尼材料，從而增大系統(tǒng)阻尼，吸收振動(dòng)能量，達(dá)到減少振動(dòng)的目的。其次是約束的位置。對(duì)于剛性的約束，一般情況下布置

14、在靠近彎頭的兩端，而且在接近三通交叉處的三根支管上均應(yīng)設(shè)置管卡，盡可能的在振源位置設(shè)置管卡。同時(shí)在布置剛性約束時(shí)還應(yīng)注意，約束位置的管道應(yīng)是自由狀態(tài)，避免約束憋勁而增加的附加載荷。另外還應(yīng)在振幅較大的位置布置阻尼約束。對(duì)于阻尼約束來(lái)說(shuō)，其位置應(yīng)當(dāng)在該部分管道（兩個(gè)剛性約束之間的管道）振幅較大的位置，這樣才能一方面約束較大的振幅，另一方面更好的吸收振動(dòng)的能量。由于壓力脈動(dòng)頻率會(huì)激發(fā)管道的低階頻率共振，所以一般情況下會(huì)呈現(xiàn)一階或二階振型。全國(guó)火電600MW 級(jí)機(jī)組能效對(duì)標(biāo)及競(jìng)賽第十五屆年會(huì)論文集 汽機(jī)115管道中最大振幅出現(xiàn)在管道的中間以及四分之一處，所以要在這些位置增加阻尼約束，以便更好的吸收振

15、動(dòng)能量。部分管卡位置示意圖如圖6。圖中球形代表剛性約束，圓錐體代表阻尼約束。圖6 部分管卡位置示意圖阻尼材料是將固體機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌牟牧?，主要用于振?dòng)和噪聲控制。材料的阻尼性能可根據(jù)它耗散振動(dòng)能的能力來(lái)衡量，評(píng)價(jià)阻尼大小的標(biāo)準(zhǔn)是阻尼系數(shù)。阻尼材料按特性分為4 類(lèi)：橡膠和塑料阻尼板:用作夾芯層材料。應(yīng)用較多的有丁基、丙烯酸酯、聚硫、丁腈和硅橡膠、聚氨酯、聚氯乙烯和環(huán)氧樹(shù)脂等。這類(lèi)材料可以滿(mǎn)足-50200°C 范圍內(nèi)的使用要求。橡膠和泡沫塑料：用作阻尼吸聲材料。應(yīng)用較多的有丁基橡膠和聚氨酯泡沫，以控制泡孔大小、通孔或閉孔等方式達(dá)到吸聲的目的。阻尼復(fù)合材料：用于振動(dòng)和噪聲控制。

16、它是將前兩類(lèi)材料作為阻尼夾芯層，再同金屬或非金屬結(jié)構(gòu)材料組合成各種夾層結(jié)構(gòu)板和梁等型材，經(jīng)機(jī)械加工制成各種結(jié)構(gòu)件。高阻尼合金：阻尼性能在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)基本穩(wěn)定。應(yīng)用較多的是銅-鋅-鋁系、鐵-鉻-鉬系和錳-銅系合金。在此建議選用丁基橡膠作為填充材料。2、避免共振管系的固有頻率關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝，所以必須得到正確的管系的固有頻率，從而避免管道的共振。目前，在往復(fù)機(jī)械中常使用管道固有頻率計(jì)算方法主要是公式法，在固有頻率方面有較多的經(jīng)驗(yàn)公式可以參考，然而，由于管道內(nèi)存在具有一定壓力且流動(dòng)的液體，會(huì)發(fā)生固液耦合和摩擦耦合這將導(dǎo)致靠計(jì)算得到的固有頻率不準(zhǔn)確；另外一種方法是利用Ansys 等

17、軟件建模，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而得到管系的各階固有頻率。這種方法同樣也存在一定缺陷，即邊界條件的選取困難，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差。所以在此，宜選用錘擊實(shí)驗(yàn)方法。為了測(cè)得耦合后的固有頻率，需要在有油壓脈動(dòng)的情況下測(cè)得沖擊響應(yīng)，這樣會(huì)得到?jīng)_擊響應(yīng)和管道本身振動(dòng)的載波信號(hào)，通過(guò)非線性信號(hào)處理方法將二者分離，得到?jīng)_擊響應(yīng)，進(jìn)而得到管道耦合后的實(shí)際固有頻率。C吸收振動(dòng)能量：相位調(diào)節(jié):此次油管斷裂主要發(fā)生在端口焊縫處。主要原因是接口處的疲勞強(qiáng)度較低，交變應(yīng)力較大，致全國(guó)火電600MW 級(jí)機(jī)組能效對(duì)標(biāo)及競(jìng)賽第十五屆年會(huì)論文集 汽機(jī)116使端口在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂。所以要盡可能控制交變應(yīng)力，特別是端口處

18、的交變應(yīng)力。所以，如何消減交變應(yīng)力則是解決油管斷裂問(wèn)題的關(guān)鍵。交變應(yīng)力首先是一個(gè)周期信號(hào)，所以存在振幅、頻率、和相位。對(duì)于此次現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)情況分析，管系內(nèi)存在的交變應(yīng)力基本上都是頻率為223HZ 的單周期應(yīng)力，幅值和相位不同。所以考慮利用同一位置不同管道的交變應(yīng)力相位差來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)，使得能量得以消除或減弱。具體方法如下：取振動(dòng)較大位置或端口位置的不同兩根管道分析，二者中存在的交變應(yīng)力可以表示為：1 1 1 a (t) = a ×sin( ×t + )2 2 2 a (t) = a ×sin( ×t + )由于不同管道的走向、高低也不盡相同，所以二者交變應(yīng)力的相位1 和2 也不相同，因此用剛性連接將二者連接起來(lái)，會(huì)起到中和和抵消交變應(yīng)力的作用，減少振動(dòng)的能量，進(jìn)而減小振幅。當(dāng)相位完全相反