郭泰良、林士能、蔡曜隆 / 工研院材化所
台灣某發電廠主蒸汽系統管線於機組降載約85%時出現異音現象，初步推測與結構共振有關。為確認此頻率對系統安全與結構完整性之潛在影響，進行詳細振動量測(Vibration Measurement)與有限元素模態分析，評估主蒸汽管線與廠房樓地板之動態行為。先前於功率降載至約80%時，曾觀察到新增184 Hz之特徵振動頻率，顯示可能存在結構耦合現象。鑑於電廠(Power Plant; PP)對安全性與可靠度要求極高，本研究目標在於建立一套整合實測與模擬之聲振診斷與分析流程，並提出升降載操作建議以避免共振風險。圖一為電廠主蒸汽系統管路設計圖，其主蒸汽管線(Main Steam System; MSS)為高溫高壓流體傳輸的關鍵管道，通常承受超過7 MPa之內部壓力與超過280˚C之運轉溫度。若發生結構破壞，將可能導致重大安全事故與龐大經濟損失，因此確保其長期運轉下之結構完整性，為電廠維護與延壽計畫中的首要任務。管線振動為影響疲勞壽命與運轉穩定性之關鍵因素，其激振來源多樣，包含：流體擾動、泵浦與汽機機械振動，以及聲學共振效應等。當管線固有頻率(Natural Frequency)與外部激振源頻率接近時，易產生共振(Resonance)現象，造成振幅急劇放大，導致支撐結構損傷、局部應力集中，甚至引發疲勞破裂。本研究以電廠主蒸汽系統26吋管線為研究對象，結合現地高速攝影振動量測、加速規資料分析與有限元素模態分析(Finite Element Modal Analysis; FEA)，建立一套系統化之動態特性評估流程，依據美國機械工程師學會(ASME B31.1)管線設計規範，確認管線在實際運轉與功率變動條件下之安全性與穩定性。本成果除可作為電廠安全監測與共振預防之依據外，亦具應用於其他高風險工業管線結構健康監測(Structural Health Monitoring; SHM)之潛力。
【內文精選】
管線振動與模態分析之研究結果與討論
1. 管路振動量測結果與討論
依據量測條件，本研究針對電廠26吋主蒸汽系統管路及廠房樓板，在降載與升載操作過程中進行振動監測，其統整振動量測結果，如表一所示。降載過程中，當機組功率降至83.91%時，樓板出現明顯184 Hz特徵頻率，而管路尚無顯著響應；降至80.08%時，樓板184 Hz信號強度顯著增強，管路亦出現相同頻率，但振幅相對微弱；隨後功率進一步降至79.39%至75.06%，184 Hz特徵頻率在樓板及管路皆消失，顯示管路在降載過程中僅短暫響應該頻率。升載過程中，當功率達78.54%時，樓板再次呈現184 Hz信號，並於80.44%功率時達最大強度，隨功率升至85.2%逐漸消失；管路在升載過程中則未再出現184 Hz振動。整體結果顯示，184 Hz振動頻率主要在79%至84%功率區間出現於樓板，而管路反應有限且振幅低，反映其受該頻率激發之可能性不高。
研究結果顯示，樓板與管路之動態耦合有限，管路結構受184 Hz振動影響不顯著。為進一步確認管路結構安全性，本研究將建置有限元素模型，依據實測條件執行模態分析(Modal Analysis)，計算固有頻率與模態有效質量，評估管路在特定功率區間的振動敏感性。分析結果不僅可作為管路振動控制與結構可靠性評估之依據，確保主蒸汽系統在降載與升載操作期間維持結構完整性，亦可提供電廠高壓蒸汽管路安全管理與運行優化之實務參考。
2. 管路有限元素模型分析結果
依據前述有限元素模型與邊界條件（圖三與圖四），本研究進行前100個模態之模態分析，計算管路固有頻率及振型---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、主蒸汽集管三維模型
圖四、主蒸汽系統管路邊界條件設定
★本文節錄自《工業材料雜誌》471期，更多資料請見下方附檔。