高 峰

（秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北秦皇島 066003）

1 概述

秦皇島電廠一臺300 MW機組高壓導(dǎo)管疏水管246天內(nèi)發(fā)生3起斷裂故障：2015年10月26日，機組5#高調(diào)門疏水管座根部斷裂；2015年12月11日，5#高調(diào)門疏水管（水平中部）斷裂；2016年6月25日，3#高調(diào)門疏水管座根部斷裂。通過金屬試驗分析，初步判斷疏水管為疲勞斷裂。疲勞斷裂的原因有3種可能：疏水管自身產(chǎn)生高頻振動、導(dǎo)致疲勞斷裂，或?qū)Ч墚a(chǎn)生高頻振動帶動疏水管產(chǎn)生諧頻共振使管道疲勞斷裂；疏水管內(nèi)外壁溫差過大，內(nèi)應(yīng)力超出管道材料的屈服極限；由疏水管道內(nèi)汽水沖擊產(chǎn)生的振動所致。

2 機理分析

壓力管道系統(tǒng)的振動主要來自于管道自身對穩(wěn)態(tài)激勵和瞬態(tài)激勵的響應(yīng)，其中瞬態(tài)激勵是管道系統(tǒng)振動的主要因素。多數(shù)情況下，與管道系統(tǒng)連接的支吊架有支撐管道重量和固定的作用，管道振動的破壞力大部分作用在支吊架上，當(dāng)支吊架發(fā)生故障而失去或部分失去作用時，管道振動加劇。隨著機組高參數(shù)的提高，工質(zhì)參數(shù)變化范圍隨之變大，對管道沖擊的能量、激發(fā)起管道的振動也就越大。管道在臨界流速下會發(fā)生顫振，管道的振幅隨時間呈指數(shù)增長。

通常，汽水管道振動又可以細分為5類。

2.1 管道自身的機械振動

由機械旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的工頻激振力，會引起管道振動。主要影響形式有2種：一是由于轉(zhuǎn)動機械的周期性不穩(wěn)定對管道產(chǎn)生與之頻率相應(yīng)的強迫激擾，從而引發(fā)汽水管道的振動響應(yīng)；二是由于汽水管道的固有頻率通常階數(shù)較多，發(fā)生振動的轉(zhuǎn)動機械與汽水管道的諧頻共振概率也就較大。如往復(fù)式機械運動時，所產(chǎn)生的各種不平衡慣性力以及缸內(nèi)壓力的的周期變化，構(gòu)成了機械自身振動的特點。

2.2 流體脈動

由于設(shè)備周期性、間歇性的工作點，管道內(nèi)的流體速度忽快忽慢，壓力忽高忽低，形成一種不穩(wěn)定的流體狀態(tài)，產(chǎn)生脈動力，引發(fā)管道振動。當(dāng)管道對于此脈動的激勵響應(yīng)頻率與其自身的固有頻率重合時就會產(chǎn)生共振，造成管道強烈振動。

2.3 汽液兩相流體的振動

流體在管道流動過程中容易發(fā)生相變，產(chǎn)生兩相流體。管道內(nèi)壁處在汽液兩相流體的紊流層時，會引發(fā)管道振動。對于電廠汽水管道而言，流體在輸送過程中必然會產(chǎn)生壓降，可能出現(xiàn)液體汽化現(xiàn)象。當(dāng)液化產(chǎn)生的氣泡破滅時，就會發(fā)生汽蝕，誘發(fā)管道產(chǎn)生振動。

2.4 氣柱脈沖引起的振動

管道內(nèi)的氣體可以壓縮、膨脹，所以氣柱本身是一個有連續(xù)質(zhì)量的彈性振動系統(tǒng)，受到一定激發(fā)之后就會產(chǎn)生振動。

2.5 調(diào)速器門閥芯間隙脈動引起的振動

由于調(diào)速器門閥芯配合出現(xiàn)間隙，將會導(dǎo)致汽流出現(xiàn)脈沖氣流的影響，脈沖氣流相當(dāng)于一個剛性較弱的彈簧，其變化周期就是閥芯與閥座撞擊的周期（圖1），會誘發(fā)導(dǎo)管振動，甚至引起疏水管道諧頻共振。由于6個調(diào)速器閥疏水管道之間是串接的，受力點位置各有差異，因此疲勞斷裂的物理位置也有所不同。

所以，汽水管道振動原因有2個：一是由導(dǎo)管道設(shè)計不當(dāng)（這里主要考慮支吊架的調(diào)整問題）而引起的偶然荷載的沖擊；二是由汽流脈沖所致。

3 系統(tǒng)分析

機組高壓導(dǎo)管疏水管是作為機組啟停過程冷凝輸水的管路（管徑Φ48 mm，管材12Cr1MoV），運行中處于關(guān)閉狀態(tài)。作為2壓缸進汽輸送管路（6根），導(dǎo)管（管徑 Φ195 mm，管材 12Cr1MoV）為缸體進汽提供汽源（分別由6個調(diào)門調(diào)節(jié)、2個主汽門控制）。

機組高壓導(dǎo)管疏水管頻繁斷裂，意味管道受到很大應(yīng)力。在短期內(nèi)使管材金屬特性發(fā)生裂變，是由于管壁材料的屈服強度逐步下降，以至于超出金屬材料的極限強度。金屬管壁受到的應(yīng)力主要是管壁溫差產(chǎn)生的，同時還有管道高頻振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力。疏水管道斷裂的金屬試驗表明，材料內(nèi)部金屬成分及硬度未發(fā)生根本變化，因此不能排除管道疲勞損壞的因素。根據(jù)相關(guān)理論，進一步闡明系統(tǒng)管道的受力情況。

3.1 水錘（汽錘）壓力分析

由于水錘（或汽錘）的作用，使固定架的動載荷增加，增加量為 F＝10－6ραAΔv。其中，F(xiàn)為水錘載荷，ρ為流體密度，α 為傳播速度，A為流通面積，Δv為流速的瞬間變化量。

水錘（或汽錘）現(xiàn)象對管道危害很大。水錘（或汽錘）產(chǎn)生的沖擊力直接作用在管道上，使管道產(chǎn)生劇烈振動，當(dāng)水錘（或汽錘）壓力過大時可能引起管道漲鼓、爆裂。當(dāng)管道固有頻率與水錘引起管道的沖擊響應(yīng)頻率一致時引發(fā)管道振動，嚴(yán)重影響管道的安全運行。

3.2 汽流脈沖分析

由于汽閥脈動引起的汽流脈沖，其能量相當(dāng)于安全閥的開啟能量，其流速為臨界流速（對于安全閥和排氣閥的出口壓力總是大于周圍的大氣壓力，這時所產(chǎn)生的氣體的流動被稱之為臨界流速，此時，對應(yīng)的排氣管的末端的各個參數(shù)被稱之為臨界參數(shù)。臨界中的壓力和流速被稱為臨界壓力和臨界流速）。

當(dāng)管道閥體閥瓣跳動時，產(chǎn)生不穩(wěn)定的汽流脈沖，導(dǎo)致閥瓣與閥座撞擊。同時，不穩(wěn)定的脈沖氣流激發(fā)管道固有頻率的響應(yīng)，即產(chǎn)生管道固有頻率的高次諧波共振（圖2、圖3）。由圖可以看出，管道的高次諧波兩側(cè)有較強低頻邊帶，主導(dǎo)了高次諧波分量的大小，并且占據(jù)了振動通頻總量的95%以上。因此，臨界流速的汽流是激發(fā)管道振動的根源，連接輸水管的疲勞斷裂源自高壓導(dǎo)管的高頻振動。

圖1 調(diào)門閥芯受損

圖2 調(diào)門導(dǎo)管振動測試低頻脈沖頻譜

圖3 調(diào)門導(dǎo)管振動測試高頻諧振頻譜

4 振動分析

導(dǎo)管振動的能量來源有2個：一是外部能量輸入；二是管系受外力作用而產(chǎn)生的諧頻共振。現(xiàn)場實地測試的振動信息如表1、表2所示。從表中可以看出，導(dǎo)管的振動高頻能量突出且超出了常規(guī)范圍（碳鋼及低合金鋼管道最大峰值振動速度（振動烈度）vpeakMax<12.4 mm/s）。因此機組3#，6#高壓導(dǎo)管振動超標(biāo)。

另外，從圖2、圖3可知，導(dǎo)管振動出現(xiàn)（9±0.5）Hz低頻脈沖，且在管道固有頻率250.5～253.5 Hz兩側(cè)形構(gòu)成（1～3）×的邊帶（另一臺同型機組高壓導(dǎo)管實測振動頻率為256.5～258.0 Hz，無諧波、無邊帶），決定著振動峰值總量的變化。由圖2可以看出，（9±0.5）Hz脈沖波呈周期性，判定管道發(fā)生共振，疏水管斷裂與導(dǎo)管的諧頻共振有關(guān)，而該諧頻共振由汽流脈沖引發(fā)。汽流脈沖產(chǎn)生的原因有2個：一是導(dǎo)管的鐘罩間隙變大；二是調(diào)門或主氣門閥芯的跳動，即形成一種不穩(wěn)定汽流脈動。

由此認(rèn)定，機組高壓調(diào)門的疏水管斷裂原因有2個：一是脆性斷裂，涉及管道質(zhì)量和管壁溫差問題；二是疲勞斷裂，涉及管道高頻共振（即諧波共振）。

表1 3#調(diào)門導(dǎo)管（東西）振動數(shù)據(jù)

表2 6#調(diào)門導(dǎo)管（東西）振動數(shù)據(jù)

從現(xiàn)場振動測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，導(dǎo)管加固在一定程度降低了導(dǎo)管的振動位移量值，但從其高頻能量分析來看，數(shù)值變化不大，直到6#調(diào)門被限制后才發(fā)生了根本變化，表明導(dǎo)管存在高頻諧波共振。由初始測量的低頻脈沖能量可知，10 Hz（存在（1～5）×諧波）左右的諧波脈沖頻率說明系統(tǒng)產(chǎn)生了連續(xù)的、低頻脈沖氣流，與管道某階固有頻率同步，導(dǎo)致導(dǎo)管的諧波共振。

隨著導(dǎo)管加固的優(yōu)化，導(dǎo)管的共振頻率也逐漸提高（最大達到293 Hz，邊帶頻率達到21 Hz），說明閥芯的磨損量在增大、脈沖頻率也在提高。6#調(diào)門被限死之后，導(dǎo)管的共振頻率降至249 Hz，低頻調(diào)制的信號消失。表1、表2的數(shù)據(jù)變化也說明了這一點。

5 總結(jié)分析

通過實地勘察和現(xiàn)場導(dǎo)管振動測試，得出結(jié)論如下。

（1）管道振動頻率：50 Hz（軸頻）、250.5～255.5 Hz（管道自振頻率。同比4#機為256.5～258 Hz），有諧波脈沖；低頻調(diào)制頻率為（9±0.5）Hz反映了汽流的脈沖能量（另一臺同型機組高壓導(dǎo)管同工況無這種能量），是管道振動的主要特點。

（2）高壓導(dǎo)管道疏水管斷裂與導(dǎo)管的諧頻共振有關(guān)，該諧頻共振是由汽流脈沖引發(fā)的（缸體是傳遞能量的導(dǎo)體），輸水管連接狀態(tài)（即受力形式）決定了斷裂的位置。

（3）汽流脈沖的引發(fā)，涉及高壓導(dǎo)管的鐘罩間隙變大和調(diào)門或主氣門的閥芯跳動，即6#高調(diào)門閥芯的泄流產(chǎn)生脈動。

6 故障處理

（1）消減管道振動。措施有：消減管系的激擾力，如減少機械振動、流體脈動、兩相流體、水錘（或氣錘）等；增加緩沖器，少用（大轉(zhuǎn)角）彎頭、異徑管等，節(jié)流減壓閥前后布置足夠長度的直管；提高管道結(jié)構(gòu)的剛度，不僅可以提高管道系統(tǒng)的固有頻率、減少對激勵源的振動響應(yīng)，而且在一定程度上還可以減小管系的振動幅值。

（2）增加管道結(jié)構(gòu)阻尼。措施有：加設(shè)汽水管道阻尼器，提高管道固有頻率；加裝制止管道擺動、振動或沖擊的控制裝置。

（3）改變管道的固有頻率。措施有：核對脈沖汽流產(chǎn)生的根源，消除激振力；核對疏水系統(tǒng)完善程度（包括管路暢通、閥芯跳動等），消除疏水管路分支局部和沿程阻力帶來的振動問題。

從2016年10月至2017年3月加固導(dǎo)管的處理過程來看，導(dǎo)管的位移量有所減小，但沖擊能量一直居高不下。2017年1月13日對高壓6#調(diào)門的強行限制后振動有所改觀。在機組大修中檢查調(diào)門，發(fā)現(xiàn)6#調(diào)門閥芯有明顯汽流沖刷痕跡，閥體外沿有沖擊產(chǎn)生的撞擊痕跡。因此，處理方案即為閥芯球面的研磨處理以及可能產(chǎn)生松動的維護處理。

［1］孫奉仲.大型汽輪機運行［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］方遠喬，陳安寧，董衛(wèi)平.振動模態(tài)分析技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1992.