管道振动的测量评价与故障诊断

颜军明　陈灿　王海卫　史庆峰　蒋　翔　杨　刚　王赞娥

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

【摘　要】采用加速度传感器拾取管道振动信号，得到管道振动速度峰值，依据美国机械工程师协会（ASME）核电厂运行和维修标准和导则第3篇《核电厂管系预运行和初始起动时的振动试验要求》规范，将速度峰值与管道振动限值进行比较，评价管道振动是否合格；若振动不合格则进行管道振动故障诊断并给出管道振动处理方案。

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关键词 管道振动；测量与评价；故障诊断

1　管道振动测量

传感器拾取管道振动信号。适用于管道振动测量的传感器类型主要有：位移传感器（电涡流、差动）、速度传感器（磁电、激光）、加速度传感器，其中加速度传感器因动态线性范围宽、质量小、抗干扰能力强、耐用可靠等优点在管道振动测量中广泛使用[1]。

管道振动原始信号经信号处理（信号放大、抗混滤波、模数转换）后送入振动数据采集系统，经滤波、积分、快速傅里叶变换（FFT）处理，得到管道振动速度峰值及振动频谱。

2　管道振动评价

管道振动测量结果评价依据ASME OM-S/G-2000 第3篇《核电厂管系预运行和初始起动时的振动试验要求》规范中的速度标准[2]。许用速度峰值表达式为：

式中，C1为补偿管道特征跨度上集中质量（如阀门等）影响的修正系数；C2、K2为ASME锅炉和压力容器规范规定的二次应力、局部指数，对于大多数管系C2K2≤4；C3为考虑管内介质和保温层质量的修正系数，W为单位长度内的管道重量，Kg/m、WF为单位长度内管内介质重量，Kg/m、WINS为单位长度内的保温层重量，Kg/m，对于无保温且空的管道或蒸汽管道，C3=1；C4为考虑管道不同支撑形式的修正系数，对于直跨两端固定，C4取1.4；对于悬臂和简支梁，C4取1.33；对于等弧Z形弯头，C4取0.74；对于等弧U形弯头，C4取0.83；C5为考虑偏离共振的强迫振动的修正系数，等于管跨一阶自然频率与主频率之比；SA为ASME锅炉和压力容器规范规定的交变应力，MPa； α为许用应力折减系数。

将实际测得的管道振动速度VP与计算所得Vallow进行比较，若VP≤Vallow，则管道振动合格；反之，管道振动不合格。

3　管道振动故障诊断

管道振动超标后，结合管道振动频谱，从振源分析、运行工况分析、支撑分析三个方面进行管道故障诊断，提出管道振动处理方案，处理方案现场实施后，重新进行振动测量验证方案是否有效。

以国内某发电机组辅助汽动给水泵（下简称汽动泵）入口管道为例，该管道布置及振动测点见图1。小流量工况下，测点1水平方向（1H）振动幅值达119.5mm/s，超过管道振动限值85mm/s，振动不合格。

3.1　振源分析

引起管道振动的力称之为激振力。综合考虑该泵的情况，该泵激振力的来源主要有：

a）汽动泵本体的振动传递至入口管道。

b）入口管道内流体流场不稳定，产生激振力。

c）与入口管道相连的其他旋转机械正常运行产生振动传递至入口管道。

小流量工况下，汽动泵转速约为8400转/分，其产生的激振频率主要是8400/60=140Hz；与汽动泵入口管道相连的旋转机械设备为辅助电动给水泵，电动给水泵额定转速为2980转/分，其产生的激振频率主要为2980/60=49.7Hz。

经查看振动超标时振动频谱，频谱主要频率成分为21.36Hz，未见明显的49.6Hz、140Hz频率及倍频的峰值，由此可以确定汽动泵入口管道的振动不是汽动泵本体、与进口管道相连的其他旋转机械正常运行引起的。同时，考虑到汽动泵运行工况为小流量，小流量工况下的流场一般不稳定，因此汽动泵入口管道振动激振力最有可能来源于入口管道内流体流场的不稳定。

不稳定流场能产生宽频能量带。当管道的固有频率落在能量带中，且与能量带中幅值较高的频率成分一致时，便产生共振。汽动泵入口管道振动超标后，对未充水情况下的入口管道进行敲击测试，测得的管道固有频率约为20Hz，与振动超标频谱中振动主频基本一致，因此，我们认为汽动泵入口管道振动超标的主要原因为共振。

3.2　支撑分析

经现场查看管道支撑，发现W229.306支架与底板存在间隙，现场安装情况见图2，不能约束管道-Z向位移，而该支架设计为滑动支撑，现场支架状态与设计功能不符合。

3.3　振动处理措施及效果

在无法改变管道中流体状态的前提下，消除共振故障的方法是提高管道的固有频率，让管道的固有频率避开不稳定流场产生的能量带中幅值较高的频率成分。管道固有频率的调整主要通过调整管道刚度和质量来实现，考虑系统的运行工艺要求和现场安装条件，改变管道固有频率以改变管道支撑形式和位置最为可行、有效。结合汽动泵入口管道现场支架情况，建议先处理W229.306支架缺陷，主要处理措施如下：在W229.306底板下垫入UC板，消除底板与支架之间间隙，使支架功能满足设计要求，调整后支架状态见图2。

现场支架调整后，小流量工况下1H测点的振动幅值降至56.1mm/s，管道振动合格。振动合格后汽动泵入口管道振动主频增加至31.13Hz，有效避开了小流量工况下管道激振频率。

4　结论

对管道进行振动测量、分析和评价，可以检测出系统的薄弱点及预测系统中可能出现的过量振动，为管道系统的安全、可靠运行奠定良好基础。另外，根据对振动超标管道的实际处理经验，管道支架的设计及安装是否符合要求是引起管道振动超标的主要因素，需要在机组设计和安装阶段引起足够的重视。

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参考文献

［1］李德葆,陆秋海.工程振动试验分析[M].北京:清华大学出版社,2004:3,24-33.

［2］ASME BPVC-Ⅲ ASME锅炉和压力容器规范:第Ⅲ卷[S].1998.

［3］ASME OM-S/G-2000 第3篇 核电厂管系预运行和初始起动时的振动试验要求[S].

［责任编辑：杨玉洁］