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摘要：管道振动是电厂管道运行过程中的常见现象，管内流体的流动状态突变、脉动作用以及与管道直接相连的设备振动都会对管道产生激振力，为提高火电厂高温高压汽水管道的安全性，本文将对火力发电厂高温高压蒸汽管道的应力进行分析。
关键词：火力发电厂；高温高压；蒸汽管道
1前言
火力发电厂蒸汽管道是一个庞大复杂的结构体系，运行数年后，由于高温引起的安装应力使管道支吊架松驰，管道结构发生变形，导致非计划性停机检修，影响电网经济和安全运行。因此，我们要加大对火力发电厂高温高压蒸汽管道的应力分析。
2必要性
在火力发电工程中，主蒸汽管道是发电厂的主要高温部件之一。长期工作在高温高压下的主蒸汽管道钢材，在温度和应力共同作用下，其微观组织、力学性能、耐热性能和物理性能等都会缓慢地发生变化，即产生蠕变和疲劳损伤的累积及其材质的劣化，在管道容易产生应力集中的局部区域发生裂纹及其扩展，往往导致管壁开裂泄漏，造成管件失效而破坏。
3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、提高管道刚度等方面来治理，并在实际工程应用中取得了比较理想的治理效果。
4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。
4.1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，会使工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0m/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回来，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入管内，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[8]。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。
4.2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。由于阀门到各个弯头、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。
5工程算例
随着火力发电机组容量的增大，四大管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，高温蒸汽管道的安全运行问题也越来越突出，而保证管系的应力水平在规范的许用应力范围内是设备安全可靠运行的前提条件。
以某电厂600MW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17.6MPa，管材为A335P91，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。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，求解管道的固有频率和振型。
5.1计算汽锤频谱
该电厂主蒸汽管道的蒸汽流速v为50m/s，压力波在管道的传播速度c为700.6m/s，蒸汽的密度ρ为52.6kg/m3，根据ΔP=ρcv，求得发生汽锤时产生的压力增量为1.84MPa，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以及汽锤对管道前10阶振型的激发系数。
汽锤冲击载荷的频率范围在1.3~4.5Hz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。
5.2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。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。
5.3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。
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阶固有频率以及汽锤对前10阶频率振型的激发系数，再将汽锤施加在管道上，求出动应力。
结束语
综上所述，对高温高压管道进行改造，需重新根据实际数据对管系进行应力分析，确保管系的应力水平满足相关规范要求，当管系应力不合格或者变化比较大时，应当对管系进行适当的调整。
参考文献:
[1]周文．主蒸汽管道裂纹产生原因分析及处理对策[J]．压力容器，2014(8):47－50．
[2]张乐川.火力发电厂主要管道精确动态分析方法及应用[J]．发电设备，2015(6)：402－407．