关于火电厂高温高压汽水管道动应力的研究

作者：张毅

  我国电力设计院在设计汽水管道时．采用的是汽水管道静应力分析方法，未考虑动应力对管道安全的影响，这样为管道的安全性埋下隐患。本文针对汽锤现象引发动应力过高的问题．采用频谱法和数值模拟计算方法进行研究。

1  汽水管道动力学方程

  设管道系统是由，v个节点组成的有自由度的质量系统．则其动力学方程为

式中：[M][C]、[K]分别为管道系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵：X、X、X分别为节点的加速度向量、速度向量和位移向量；F(t)为激振力向量。管道系统的动力学方程是研究管道动力特性的基础。

  管道动应力按其产生的机理可分为管道振动产生的动应力和动载荷产生的动应力。管道振动产生的动应力会对管材造成严重的疲劳损伤，可使管道在使用过程中突然断裂。动载荷产生的动应力在短时间内由0跃升至最高值，对管道造成冲击，使管道所受应力可能瞬间超过管材的许用应力，从而使管道处于危险状态。

2管道振动引发的动应力

  机组在运行过程中经常会出现管道振动现象，这是由于介质的随机扰动和不确定的间歇性脉动，使得介质在流经弯头、异径管等管件处产生激振力，特别是当激振力的激振频率与管系的固有频率接近或重合时，可引发管道的强迫振动。强烈的管道振动不仅会导致支吊架失效，同时会产生较大的动应力。动应力的大小与管道振动的幅值、频率有关．积极治理管道振动可有效地减小管道的动应力。目前国外针对火电厂汽水管道振动现象的研究较为成熟．并且积累了丰富的理论和实践经验，通常从减少激振力的来源、提高管道刚度等方而来治理．并在实际工程应用中取得了比较理想的治理效果。

3动载荷产生的动应力

  施加在管道上的载荷按其作用性质可分为静

载荷和动载荷。静载荷主要包括管道的自重、内压以及热膨胀引起的二次应力．动载荷主要包括水击现象（汽锤、水锤）、安全阀动作等。动载荷发生的时间虽然极短，但可产生过大的动应力，破坏力极其惊人。以水击现象为例，通过对其进行频谱分析，找出减小动应力的方法。

3.1  水击现象

  工质在汽水管道中流动时，当遇到紧急事故或机组负荷变动而引起的阀门瞬间启闭．会使T质的流速在短时间内发生急剧变化。在阀门关闭的瞬间，只有接近阀门的流体流速变为0 m/s。根据动量定理和质量守恒定律可知．流体将对阀门产生一个很大的作用力．对管道及其附属设备构成严重威胁。

  阀前的流体．由于惯性作用会继续对阀门处静止的流体产生压缩作用，使其压强增加，管道截面积扩大，形成压缩波，向来流方向传播。压缩波在传播过程中会在一定条件下反射同来，在反射的过程中．流体的倒流又会形成膨胀波，向下游方向传播。当膨胀波传递至阀门处，由于阀门是关闭的，流体又将继续倒流，导致流体压力的进一步降低，流体更加膨胀、管道继续收缩，形成的膨胀波向上游传播。当膨胀波传递至管道入口处．由于管内流体压力下降，导致外部流体再一次流人管内．原先更加膨胀的流体得到压缩．产生的膨胀波向下游传播，传播至阀门处，整个管道内的流动状态恢复到阀门关闭前的状态．完成一个循环。阀后的流体与阀前流体的机理相同，但与阀前相差半个周期，阀后起始为膨胀波。因此．在整个汽水管道系统中，压缩波与膨胀波在管内交替传播，经过弯头时会产生不平衡力，并在整个管道系统叠加．引发管道振动，同时伴有轰轰的振动声，这就是水击现象。考虑到流体的粘性和管道在压缩、膨胀过程中的能量耗散，流体波动和管道振动的强度会逐渐降低，直至消失。

  为了减少或避免水击现象的产生．电厂通常采用延长阀门关闭时间的做法．但这样不仅会影响整个系统的调节，甚至会引发更为严重的二次事故。所以，需对水击现象的发生机理和特征做更为深入的研究和探讨．以减少电厂水击事故的发生．或当水击事故发生时．将事故的破坏性降至最低。

3.2水击频谱分析

  频谱分析是将时域信号通过傅里叶变换转化成频谱信号，随着信息技术的发展，被广泛应用于各个领域，可有效地评估信号的时域效应。本文针对水击现象的力随时间变化的特点采用频谱法对其进行数值计算。

  水击产生的压缩波与膨胀波在汽水管道传播的过程中，遇到弯头、异径管、设备接口等部件时，会反射回来，不断反复重叠。南于阀门到各个弯头、异径管等部件的距离不等，导致压缩波与膨胀波在通过连续弯头的传播过程中．存在时间差，导致管系产生不平衡力，不平衡力的持续时间等于时间差。将力的持续时间转化为频率，将不平衡力的大小转化为载荷系数，即可得到水击的频谱。

  从结构动力学的角度分析．由于管道的各阶频率振型对水击频谱的动力响应不同，通过调整管道的固有频率及振型可有效地避开载荷系数较高的频谱，削弱管道对水击频谱的响应，进而减弱水击的冲击作用，最终减小动应力。

4工程算例

  以某电厂600 MW机组主蒸汽管道的汽锤现象为研究对象．该主蒸汽管道的设计温度为546℃，设计压力为17.6 MPa，管材为A335 P91，共布置有2个刚性支吊架，2个阻尼支吊架，1个限位支吊架，23个弹簧支吊架。建立管道模型，如图1所示。由于管道系统的响应计算一般与其自振特性密切相关，因此先对管道进行模态分析，求解管道的同有频率和振型，如表l所示。

  根据DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中7.2.1.1条的规定：管道的一阶固有频率应大于3.5 Hz。由表1可知，主蒸汽管道的前6阶固有频率均小于3.5 Hz,这是由于主蒸汽管道属于高温管道，在由冷态转向热态时，会产生较大的热膨胀和变形，因此在设计管道时，必须使用大量的弹簧支吊架来满足管道对柔性的要求，但同时也降低了管道的同有频率。

4.1  计算汽锤频谱

  该电厂主蒸汽管道的蒸汽流速v为50 m/s,压力波在管道的传播速度c为700.6 m/s,蒸汽的密度p为52.6 kg/m3，根据AP=pcv，求得发生汽锤时产生的压力增量为1.84 MPa,结合主汽门的关闭时间以及汽锤的持续时间，对汽锤进行频谱分析，得到汽锤的载荷系数频谱图（见图2）以及汽锤对管道前10阶振型的激发系数（见表2）。

  由图2.表2可知：汽锤冲击载荷的频率范围在1.3～4.5 Hz区域时．汽锤对管道产生较强的冲击力：由于管道的前4阶固有频率较低，在汽锤频谱的激振下，振型在一定程度可被激发：而主蒸汽管道的第5.6和7阶固有频率与上述区域存在重合，振型得到较强的激发，将引发管道振动并产生过大的动应力。

4.2  求解动应力

  将汽锤的响应施加在管道相应的节点上，求出管道在汽锤作用下的动应力，并与管道的静应力进行对比，具体结果见表3。结果表明：管道在汽锤的作用下产生的动应力值要远远高于管道静应力．甚至有的节点应力值接近管材的许用应力值。由此可见,汽锤产生的动应力对管道的安全可造成严重威胁。

4.3减小优化动应力措施

  通过调整管道系统的支吊架来改变管道的固有频率，使之避开动载荷的频谱，可有效减弱动载荷的冲击作用。在可能出现动载荷的位置增设阻尼器，阻尼器是一种反应灵敏的减振装置，可有效耗散动载荷产生的能量，其主要用于防止管道或设备因水击、安全阀动作、地震和风载荷等动载荷所造成的破坏。

  针对主蒸汽管道的固有频率较低．在动载荷汽锤的作用下引发管道振动、动应力过大的情况，可通过在节点70、260处增设阻尼支吊架、在热位移较小的节点处100、370处增设限位器、在230、490处增设刚性支吊架得以解决。

  对治理后的主蒸汽管道进行静应力分析，在静应力和热位移满足安全要求的前提下，对管系进行模态分析，求出治理后的管道前10阶同有频率以及汽锤对前10阶频率振型的激发系数(见表4)，再将汽锤施加在管道上，求出动应力。将治理前后的静应力、动应力进行对比，具体结果见表5。

  由表4、5可知：主蒸汽管道的固有频率有了较大的提高，使其不仅满足汽水管道技术要求，同时也可以避开汽锤对管道的激振频率。由于在热位移较小的位置设置限位器和减振器，不会对管道的热膨胀造成影响。因此，治理后的管道静应力改变不大而动应力有了较大幅度的减小。综上所述，该治理方案效果明显，可实现减小动应力的目标。

5结论

  管道振动、动载荷均会使管道产生过大的动应力．可对管道的安全运行造成严重的威胁。应提高运行人员的技术水平．尽量减少或避免水击等动载荷的发生：积极治理管道振动现象：通过改造支吊架调整管道的固有频率．避开动载荷的频谱，从而可实现减小动应力的日的。

随着未来火电技术向着大容量、高参数方向发展，对汽水管道力学性能的要求越来越高，建议相关科研设计单位在设计阶段将管道的静应力和动应力都考虑在没计范围内．以提高管道的抗振性能和抗动载荷能力．最终提高管道的安全性。

6摘要：为提高火电厂高温高压汽水管道的安全性，针对管道振动和动载荷引起的动应力进行理论研究，并对水击现象进行频谱分析，找出减小动应力的措施。以某电厂600 MW机组主蒸汽管道的汽锤现象为研究对象．通过建立有限元管道模型，对汽锤动载荷产生的动应力进行计算。结果表明，汽锤动载荷产生的动应力远远大于管道的静应力。通过积极治理管道振动现象，增设阻尼器来减弱动载荷的冲击作用，调整管系的固有频率来避开外界激振等措施，可实现减小动应力的目的。