核电管道振动处理

王吉生

（中国核工业二三建设有限公司，北京 101300）

1 概述

核电机组投产运行后，常规岛部分管道存在振动问题。一部分管道振动相当大，如主蒸汽管道、蒸汽旁路管道振动曾经造成疏水袋上测量信号不准、低压给水管道振动造成泵入口过滤器支撑断裂，一级再热紧急疏水管道振动造成整根管道并连带疏水箱一起振动，高加紧急疏水管线水锤振动造成支架断裂。除此之外，高压给水管道、中压给水管道、蒸汽转换新蒸汽管道、主给水旁路、二级再热扫汽管道、凝结水管道、排污管道、部分仪表管线振动也很大。这些管道的振动给管道及机组的安全运行造成了很大的威胁，为此对振动的管道进行全面整治，消除机组安全稳定运行的隐患。

2 管道振动原因

在结构设计中，如能将静强度、动强度、热强度、疲劳与断裂强度统一考虑，并提出一个满足上述各项强度要求的综合性准则，则从强度角度看，设计将进入一个比较理想的境界。但今天科学技术的发展还不能达到这样的要求。而现实中管系设计往往采用静力设计准则。静力设计准则是指在实用载荷下，结构不得产生永久变形，在设计载荷下，结构不得破坏。静力设计往往会导致静力场不稳（刚度不足导致）和各式各样的振动问题（动态特性不良导致），人们又不得不在按静力准则设计的结构上，采取各种补救措施。

3 管道振动危害

振动对管道设备的危害很大，首先它容易引发管道上的测量仪表、信号线失灵，阀门限位杆的偏转，甚至能引起仪表管线、电源线脱落，造成设备误动，主蒸汽疏水袋振动曾引起仪表测量信号不准确，凝结水系统调节阀阀门限位多次发生偏转；其次它能引起支吊架断裂，在管道剧烈振动时，部分支架、吊架会断裂，如果处理不及时，会导致该管系上的其他支架断裂，后果非常严重，高加紧急疏水管道因水锤产生激烈振动，先后三次将地脚支架振裂；第三它将加速材料的疲劳损坏，大大缩短材料的使用寿命，并容易引发管道焊接处的破坏失效，尤其是现场焊接死点，更容易被破坏，如被埋在地下的管道等。

4 管道振动处理方法

4.1 支吊架检查

支吊架失效，将会降低管系的刚度，是诱发管道振动的原因之一，同时支吊架失效将会影响管道寿命。由于调试期间我们没有对常规支吊架进行调整，因此当发现有管道振动以后，我们对现场的支吊架进行了大面积的普查，共发现368组支吊架状态异常，并针对其存在的问题，分别在大修期间对其进行了调整。其存在的问题分类如下：①弹簧支吊架的锁定装置没有拆除。为便于现场安装，弹簧支吊架在出厂时都用锁定装置整定在冷态位置，现场安装后应拆除锁定装置，否则，将相当于刚性支吊架，失去弹簧支吊架的作用。发现有10组弹簧支吊架的锁定装置没有拆除，支吊架偏斜严重。由于支吊架的严重偏斜，将会对管道产生过大的附加侧向力，引起管道受力不利。在对管道支吊架状态检验中发现有部分支吊架由于没有偏装或偏装错误而倾斜严重。发现有10组支吊架偏斜严重。②滑动支架脱空或刚性吊架拉杆不承载。由于安装等原因，发现部分滑动支架脱空及刚性吊架拉杆松弛不承载问题，支吊架失效。发现有43组支吊架存在这类问题。

弹簧支吊架承载不合理，处于欠载或过载状态。

4.2 消除激振源

在管道振动中，如果能找到激振源，并对激振源以有效控制或替代，是解决管道振动最有效的方法之一。在现场，我们发现了以下两种情况：①调节阀出入口缩径严重，且阀门内部产生汽蚀。CEX042VL原为双座调节阀，该阀缩径严重，阀门口径只有150mm，而管道直径为DN300，且在解体阀门时发现阀门内部有汽蚀现象。凝结水管道振动时我们怀疑是由该阀引起，后将CEX042VL更换为DN200口径的套筒调节阀以后，管道振幅减小，现场高频噪音消失。②阀门内漏，产生水锤造成管道剧烈振动。高加紧急疏水阀AHP038VL所在的高加紧急疏水管线，曾先后三次将支架振断，现场观察管道剧烈振动是在水锤后产生。将阀门用手轮关闭后，水锤消失，管道振动也消失。

4.3 调整管道系统的固有频率避开激振频率

现场的管道振动，只有一部分管道可能通过调整支吊架或控制激振源的办法得到有效控制，大部分管道是通过调整管道系统的固有频率避开激振频率，从而避开共振的方法来治理管道振动，此方法在管道振动治理中最为常见。

4.3.1 增加减振点的位置

根据常规岛测量结果，管道在哪个方向振动不明显，由在该方向上不考虑减振点的设置，如中压给水管道只有Y方向的振动，则只考虑在Y方向上设置减振点，主蒸汽管道、蒸汽旁路管道、高压给水管道低压给水管道只考虑在X、Y方向上增设减振点。减振点的设置除工程经验外，还应考虑以下几个因素：①减振点的设置应充分考虑其生根位置，其生根位置应是楼板、承重梁或刚度较高的平台。同时增加的减振点不影响其他设备的操作、运行和维修。②减振点应尽量设置在管道系统刚度较小的位置，即管道振动较大的位置，以有效增加管道系统刚度。③减振点的设置应充分考虑管道系统的热态位移，以改善管道、支架的受力情况。

4.3.2 建立固态模型分析

为了解管系的振动固有特性，为振动治理的设计提供指导，采用有限元Ansys计算软件Piping模块对治理前以及增加减振点后管道系统振动固有特性进行了计算。计算出振动治理前各管系前5阶固有频率，计算分析得出引起各管道振动的各低阶振型，为减振点的添加提供参考指导，计算振动治理后各管系前5阶固有频率，理论上检测治理的结果。从严格意义上说，现场的振动表现应为理论计算结果的合成，因此建立固态模型为管道振动治理提供有效的检测手段。

4.3.3 力学分析

为了便于工程应用，根据力学等效性叠加原理，管道内压应力和持续外载引起的应力。

管道在工作状态下，由内压、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和，必须满足下式的要求：

бL=pD2i/(D2o－D2i)+0.75iMA/W≤1.0[σ]t

式中p——设计压力(MPa)；Do——管子外径（mm）；Di——管子内径（mm）；MA——由于自重和其他持续外载作用在管子横截面上的合成力矩（N·mm）；W——管子截面抗弯矩（mm3）；[σ]t——钢材在设计温度下的许用应力(MPa)；i——应力增强系数；бL——由于内压、自重和其他持续外载所产生的轴向应力之和(MPa)。

4.3.4 管道支吊架设计计算原理

管道支吊架设计的步骤如下所述：①利用标准跨距原理来选择支吊架位置。假设在这点有一个刚性Y向约束，然后进行重量载荷分析。这种分析称为“约束-重量”分析。在这一分析中，分布在每个约束上的重量载荷将被作为弹簧选型时的热态载荷。②从管架位置除去约束，进行热膨胀分析。这种分析称为“自由-热态”分析。每个支架位置的热态位移将被作为弹簧选择时的热位移。③利用从约束-重量计算得出的热态载荷和自由-热态得到的位移，对每个点从弹簧表中选择一个弹簧，利用弹簧刚度来确定安装所需冷态载荷（预置的弹簧载荷）。④通过在每个弹簧作用点增加一个刚度等于弹簧刚度的约束并且通过增加弹簧预置载荷（冷态载荷）作为在持续载荷工况起作用的力来调整模型以反映弹簧的存在，然后重新分析所有载荷工况以获得弹簧真实存在时的效应。

5 结论

总体来说，管道系统在振动治理前，管道在X、Y方向上的刚度较低，管道在该方向的振动较明显，振动辐度较大，振动频率较低。通过在管道系统上增加减振点以后，管系在该两个方向的刚度得到明显改善，管道振动幅度明显减少，机组的安全运行得到有效的保障，达到预期的目的。振动治理前对增加减振点后的管道系统进行了应力复核，管道系统应力全部合格。同时证明了此种振动治理的方法，对治理管道的低频振动较为有效。