蒸汽發(fā)生器單根傳熱管振動特性試驗研究

蒸汽發(fā)生器單根傳熱管振動特性試驗研究

0簡化汽發(fā)生器傳熱管安裝由于高速帶的高速帶外向流的影響，蒸汽器的管架圓弧區(qū)域是一個高度過流的風(fēng)險區(qū)域。在對蒸汽發(fā)生器傳熱管流致振動分析時，通常認(rèn)為傳熱管在防振條和支撐板位置的支撐均為有效支撐，將支撐板支撐位置簡化為約束垂直傳熱管軸線兩個位移方向的簡支;將防振條支撐位置簡化為約束彎管面外和彎曲徑向面內(nèi)兩個位移方向的簡支通過試驗獲得單根傳熱管在不同環(huán)境工況(管內(nèi)外充水、管內(nèi)壓力)1試驗設(shè)施和測量1.1試驗裝置裝置單根傳熱管振動特性試驗裝置包括大鋼板、焊接板、防振條調(diào)節(jié)裝置、梅花孔支撐板、管板、蓋板、密封裝置以及激振裝置等，試驗裝置如圖1所示，為減少試驗測量時試驗裝置本身振動帶來的影響，整個試驗裝置安裝在一塊剪力墻上。整個傳熱管管外區(qū)域可實現(xiàn)充水，管內(nèi)可通過閥門充水和打壓。防振條調(diào)節(jié)裝置通過螺栓可調(diào)節(jié)防振條模擬板和傳熱管之間的間隙，為試驗提供不同工況下的邊界條件。1.2內(nèi)和面外方向響應(yīng)試驗采用三軸加速度傳感器，通過輔助工裝套安裝在管外測點位置。三軸加速度傳感器可以測量3個方向的加速度信號，試驗時采取激振器分別在傳熱管面內(nèi)和面外方向進(jìn)行激勵，通過三軸加速度傳感器拾取面內(nèi)和面外方向信號，將信號傳輸?shù)絃MS數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集得到的直接物理量有兩種，一種是通過阻抗頭測量得到的系統(tǒng)輸入激勵力的時域信號;一種是通過加速度傳感器測量得到的系統(tǒng)輸出加速度響應(yīng)的時域信號。對于每組采集到的兩種傳感器信號，經(jīng)LMS后處理模塊處理后，得到其對應(yīng)的FRF頻響曲線，將頻響曲線FRF導(dǎo)入LMS模態(tài)分析模塊進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而得到傳熱管的固有頻率、振型。2比較模型計算和設(shè)計之間的結(jié)果2.1管外附加水質(zhì)量在進(jìn)行傳熱管振動特性和流致振動分析時，傳熱管通常使用梁單元進(jìn)行建模，管內(nèi)水全部作為附加質(zhì)量附加在梁單元上。對于管外附加水質(zhì)量，按照ASME附錄表N-1311-1選取。傳熱管在支撐板處的邊界條件為約束垂直于傳熱管軸線方向的兩個位移自由度;傳熱管在管板位置為固定支撐;在防振條處的邊界條件可以簡化為約束傳熱管面外和沿著彎管半徑兩個方向的位移自由度。按照以上建模方法，得到傳熱管振動特性有限元分析模型如圖2所示。2.2管振型及頻率對比在管內(nèi)外均是充水環(huán)境、防振條全部支撐均為設(shè)計直徑間隙條件下，傳熱管模擬計算(模擬計算時邊界條件采用簡支條件)和試驗得到的前12階頻率及振型對比見表1。由表1可以看出，傳熱管振型分為面內(nèi)對稱、面外對稱、面內(nèi)反對稱以及面外反對稱4種類型;由于防振條位置支撐點多且自由跨距小，以彎管段為主的振型主要發(fā)生在高階，而由于直管段自由跨距大，低階頻率表現(xiàn)為以直管段振型為主;傳熱管模擬計算得到的各階頻率與試驗得到的最大誤差為8.54%，在工程誤差允許范圍內(nèi)，表明處于設(shè)計名義間隙范圍內(nèi)的傳熱管邊界條件可以簡化為簡支。3試驗結(jié)果的分析3.1管內(nèi)充水、管外空氣環(huán)境內(nèi)的固有頻率試驗的環(huán)境工況分為管內(nèi)管外均空氣，管內(nèi)充水、管外空氣以及管內(nèi)外均充水，3種環(huán)境工況下測得的面內(nèi)模態(tài)頻率如圖3所示，測得的面外模態(tài)頻率如圖4所示。由圖3,4可以看出，管內(nèi)充水、管外空氣環(huán)境下的傳熱管各階面內(nèi)及面外的固有頻率與管內(nèi)外均空氣環(huán)境下的固有頻率相比出現(xiàn)下降，說明傳熱管在振動時，管內(nèi)水對傳熱管振動系統(tǒng)質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于對剛度的影響，在分析時需考慮管內(nèi)水的附加水質(zhì)量;而管內(nèi)外均充水環(huán)境下傳熱管的各階頻率又低于管內(nèi)水管外空氣環(huán)境下的各階頻率，說明在傳熱管振動分析中，應(yīng)考慮管外附加水質(zhì)量。3.2管內(nèi)加壓對傳熱管振動特性的影響通過設(shè)置在傳熱管底部的閥門對傳熱管進(jìn)行充水打壓，研究傳熱管管內(nèi)壓力對振動頻率的影響，如圖5所示。傳熱管的前4階面內(nèi)和面外頻率所在模態(tài)是直管振型模態(tài)，可以看出，前4階頻率在管內(nèi)無壓和加壓情況下不發(fā)生改變，表明管內(nèi)壓力對傳熱管直管段振動特性無影響;在以彎管振型為主的后6階模態(tài)中，由于管內(nèi)加壓使傳熱管彎管段剛度加強(qiáng)，導(dǎo)致傳熱管管內(nèi)加壓工況下后6階頻率略高于管內(nèi)無壓工況。這種頻率增大在面內(nèi)模態(tài)上表現(xiàn)得更為明顯，但是總體上沒有對傳熱管彎管段振動特性產(chǎn)生較大影響。3.3支撐工況下面內(nèi)和面外前頻率應(yīng)用防振條調(diào)節(jié)裝置對防振條處的支撐間隙進(jìn)行調(diào)整，主要考慮如下支撐間隙工況:(1)所有支撐間隙為0間隙;(2)所有間隙為設(shè)計間隙;(3)單個支撐間隙為變間隙，其余間隙為設(shè)計間隙;(4)連續(xù)兩個支撐間隙為變間隙，其余為設(shè)計間隙。得到各個支撐工況下面內(nèi)和面外前8階頻率，如圖6,7所示。由圖6可以看出，以直管振型為主的面內(nèi)前4階頻率不受防振條位置支撐間隙值調(diào)整的影響;隨著支撐間隙的增大，以彎管振型為主的面內(nèi)后4階振動頻率下降，表明支撐間隙的增大導(dǎo)致傳熱管彎管段支撐剛度減弱;當(dāng)連續(xù)兩個支撐間隙值大于0.13mm時，彎管振型為主的面內(nèi)1階振動頻率大幅下降，說明此時傳熱管彎管段面內(nèi)支撐開始出現(xiàn)失效，傳熱管彎管段出現(xiàn)過量流致振動和失穩(wěn)的風(fēng)險開始增加，防振條設(shè)計及制造時應(yīng)避免大于此間隙條件的情況發(fā)生。對于面外振動頻率，由圖7可以看出，傳熱管在各個支撐間隙工況下，以直管振型為主和以彎管振型為主的頻率均不受間隙調(diào)整的影響，可以認(rèn)為在單個支撐間隙為0～0.7mm、連續(xù)兩個支撐間隙為0～0.7mm范圍內(nèi)，傳熱管彎管段面外支撐不會發(fā)生失效。3.4正常磨損狀態(tài)下的振動特性傳熱管在役期間會與防振條發(fā)生微動磨損，根據(jù)在役檢查經(jīng)驗反饋，傳熱管在正常流致振動情況下到壽期末磨損深度一般為壁厚的15%左右。為研究傳熱管在正常磨損狀態(tài)下的振動特性，全面掌握傳熱管在役振動狀態(tài)，在與防振條接觸位置的傳熱管模擬件上，人為構(gòu)造名義壁厚15%左右的磨損，如圖8所示。傳熱管在磨損和無磨損狀態(tài)下的面內(nèi)外振動頻率如圖9所示?？梢钥闯觯瑐鳠峁芊勒駰l位置出現(xiàn)正常磨損時與無磨損傳熱管振動頻率基本一致，可判斷傳熱管的正常磨損不會影響振動特性，對在役磨損傳熱管進(jìn)行振動分析時，不需考慮傳熱管磨損減薄這一因素。4管內(nèi)充壓對傳熱管振動特性的影響(1)經(jīng)過試驗驗證，在進(jìn)行傳熱管振動特性和流致振動分析時，傳熱管支撐板位置邊界條件可以簡化為約束垂直于傳熱管軸線方向兩個位移自由度的簡支，在防振條位置的邊界條件可以簡化為約束面外和面內(nèi)沿彎管半徑方向兩個位移自由度的簡支。(2)管內(nèi)充水和管外充水均會影響傳熱管振動系統(tǒng)的質(zhì)量項，而對傳熱管振動系統(tǒng)的剛度項影響甚微，這就導(dǎo)致充水工況下傳熱管振動頻率下降。(3)管內(nèi)充壓條件下，以彎管振型為主的傳熱管高階面內(nèi)振動頻率略有增大，但是對傳