核电厂管道系统振动分析与应用

【摘 要】 核电厂中管道的振动问题是普遍存在的，过大的振动会导致管系和设备的疲劳损坏，直接影响核电厂的运行安全。核电厂中管道的振动又是比较复杂的，除旋转设备本身是个重要振源外，管内流体的流动、管系布置、支吊架设置等都会对振动产生重大影响。本文着重从产生振动的原因着手，并结合实际案例探讨解决核电站管道振动问题的方法。

【关键词】 核电站 管道 振动

1 管道振动的测量

管道振动测量方法主要有三种：目视检查、简化测量（位移法和速度法）和精确验证（模态反应法和测量应力法）。

目前国内外核电站对管道振动进行评价的推荐方法和经验，大多数采用速度限值进行评价，即使用速度法计算许用速度峰值（速度限值） 。

依据ASME OM-S/G-2000 Part3的规范要求，管系上各点的最大振动速度峰值应小于许用速度峰值。许用速度峰值的表达式为（式中参数取值可参照标准DL/T1103-2009）：

（英制单位in/sec，psi）

或（国际单位mm/s，MPa）

式中：：补偿管道特征跨上集中质量影响的修正系数；：ASME规范中定义的应力系数，对大多数管道系统；：考虑管道内部介质和保温层质量的修正系数；不同于固定端的端条件和不同于直跨的结构形式的修正系数；：考虑偏离共振的强迫振动的修正系数。

在试验开展前，首先绘制管道的单线立体图，并在图上标出具体的测点位置及管线号；然后根据上述的速度法公式，并结合已绘制的各系统管道单线立体图，同时参考相关的技术要求，分别对各系统管道中振动比较大的点进行振动限值计算。

振动测量的部位主要取在系统泵的进出口管线上。

2 振动原因分析及处理措施

管道振动的直接危害是因振动而出现疲劳开裂，从而导致系统不可用；间接危害是引起管道上的阀门或设备上的某些部件松脱和断裂，同样给系统运行带来危害，必须采取措施来减小管道的振动。

核电站管道及其支架和与之相连的各种设备和装置构成了一个复杂的机械结构系统。使管线产生振动的原因主要有流体激振、共振、受迫振动三种。

2.1 流体激振

管道输送流体需通过泵、压缩机、风机等设备加压作为动力，这种加压方式是间歇性或周期性的，因此，不可避免的要激发进出口管道内的流体呈脉动状态，使管内流体参数（如压力、流速、密度等）随位置及时间作周期性变化。振动的大小与流量密切相关；振动的形成与管道内某一部分的结构相关。需要针对具体的情况，分析产生流体激振的原因：如果与流量相关，可采取改变流量的办法加以处理，但改变流量需要考虑核电站实际的运行需要；如果与管道结构有关，则可以改变管道的结构或对管系进行重新合理布置。

2.2 共振

管道共振是管道的固有频率与振源的频率非常接近乃至相同引起的。核电站管道共振分为两类：

（1）管道机械共振：由管道、管件、支架等组成的管系本身就是一个弹性系统。管系根据配管情况、支撑的类型和位置，会有一系列的固有频率，当激发频率与某阶固有频率相等或相近时，便发生管道的机械振动。

（2）气柱共振：对于输送气体的管道（如压缩空气管道等），管道系统内所容纳的气体称为气柱，因为气体可以压缩、膨胀，故可看作一个类似弹簧的振动系统，具有一系列的固有频率，当风机或压缩机等设备的激发频率与某阶固有频率相等或相近时，系统即产生对应该阶频率的共振；

共振的治理方法可以采用改变振源频率或改变管道固有频率。但改变振源的频率一般比较困难，所以通常依靠增加支架来改变管系的固有频率，从而消除共振。

2.3 受迫振动

管道受迫振动是由于振源振动相对强烈，通过传递方式引起管道某一部位振动相对较高，例如与管道相联或相邻的机械设备（泵、通风机、压缩机等）传递的振动。

由于核电站管道上的支架有很多是导向支架，这种支架与管道有1-3mm的间隙，振动的传递基本不会在支架上受阻。对于这类振动，可改变支架结构形式，把导向支架变为固定支架，从而减小和限制振动的传递。

2.4 敏感管

除以上三种产生振动的原因外，还有一类情况应予以重视：“敏感管”。

根据法国电力公司（EDF）的经验反馈，支管的裂纹大多发生在外径2英寸以下的小支管和主管之间的管座焊缝，裂纹产生的主要原因是支管靠近振动源（泵、调节阀、流量孔板等）以及支管设备采用不合理支撑造成焊缝应力集中出现疲劳失效。此类小支管的振动疲劳被归纳为敏感管问题，其中的小支管称为“敏感管”。

敏感小支管振动的特点是振源在主管上，很难降低振源，这时需要考虑改变小支管的结构形式或增加连体支架等方式来加强小支管抗疲劳断裂的能力。如果主管的振动较大，应先对主管进行治理，降低主管振动后再治理小支管的振动。

3 结语

核电厂管系的振动问题是相当复杂的，涉及的因索较多，产生振动的原因也各不相同，同时整治时又受到现场条件的诸多制约。因此，解决管系的振动问题，需要设计、制造、安装、调试、运行、维修等多方面人员的参与和介入，根据核电厂管系的不同特点，采用有效的测量方法，进行振动分析研究，寻找振动超标的主要原因，并提出合理化改进建议。

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