秦山二期反應堆冷卻劑泵現場動平衡試驗

肖孝鋒，肖 建

（中核核電運行管理有限公司，浙江??海鹽??314300）

秦山二期反應堆冷卻劑泵現場動平衡試驗

肖孝鋒，肖 建

（中核核電運行管理有限公司，浙江??海鹽??314300）

基于核電廠反應堆冷卻劑泵（簡稱主泵）的現場動平衡試驗原理，描述了秦山二期擴建工程3、4號機組主泵在調試過程中發生振動高的異常情況，利用泵組自帶振動監測系統，通過頻譜分析和診斷，確定為不平衡故障，并采用現場動平衡法進行處理，使主泵振動狀態達到良好水平的過程，為同類型主泵的動平衡處理提供了一定的借鑒經驗。

反應堆冷卻劑泵；動平衡；振動；頻譜

核電廠反應堆冷卻劑系統的主要功能是使冷卻劑循環流動，將一回路反應堆堆芯中核裂變產生的熱量通過蒸汽發生器傳遞給二回路系統。反應堆冷卻劑泵作為一回路的重要設備，是核電廠唯一的核一級泵，其設備狀態的優劣直接影響核電廠的安全和運行。

秦山二期擴建工程3、4號機組的主泵在調試運行初期，3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO均出現不同程度的軸振動高問題，在熱停堆狀態時主泵的軸振動位移最大值達到214?μm，經現場測試及專家分析，通過動平衡法有效降低了主泵軸振動水平。文章對動平衡試驗的原理及現場應用進行了描述。

1 振動監測系統概述

1.1 主泵簡介

秦山二期采用CNP600堆型，共4個機組，每個反應堆有2臺主泵，均是由三菱重工制造的100D型立式單級離心泵[1]，帶有可控泄漏軸密封裝置，由6?kV三相感應式電動機驅動。正常運行時在壓力15.5?MPa和溫度293?℃下工作，流量24?290?m3/h，揚程91?m。主泵泵體和電機通過剛性聯軸器進行連接，在泵聯軸器位置裝有在線振動監測系統及速度監測系統。主泵轉動部件由水泵轉子和電機轉子組成，其中水泵轉子約2?413?kg，電機轉子約16?538?kg，水泵轉子與電機轉子先單獨在動平衡機進行了動平衡試驗，然后在出廠試驗時做軸振試驗，以保證主泵軸振動在可接受范圍內，同時計算出各主泵動平衡試驗時的加重影響因子及相應的相位滯后角，以利于今后的現場動平衡試驗。

1.2 振動監測系統簡介

秦山二期每臺主泵配有一套反應堆主泵振動監測系統，3、4號機組采用的是德國Epro公司的MMS6000系統。每套包含2個速度傳感器、2個位移傳感器、1個鍵相傳感器以及現場轉接盒及其信號通道、信號處理系統等。

2個速度傳感器用以監測電動機軸承的振動，互成90°安裝在電動機殼體下法蘭上，一只與主泵出口管嘴的方向平行，另一只與主泵出口管嘴的方向垂直。2個位移傳感器為非接觸式電渦流式傳感器，互成90°安裝在泵驅動軸聯軸節高度的托架上，安裝方向與速度傳感器的方向相反，在泵運轉的所有階段中，自動監測泵聯軸器輪轂的靜態間隙和動態振動。位移傳感器輸出的直流電壓信號對應于軸靜態位置，輸出的交流電壓信號對應于軸的振動幅值。鍵相傳感器也是一個電渦流傳感器，其型號與位移傳感器相同，兩者可以互換，安裝在兩個位移傳感器中間，通過檢測泵輪轂中的鍵槽，提供泵轉速信號以及用于動平衡的相位信息。鍵相信號和振動信號通過現場轉接盒將信號傳至信號處理系統，處理卡件經過處理后變成4～20?mA信號送主控或者用于現場頻譜分析儀測試，主控可實時監測主泵的振動幅值，提供記錄或報警。振動監測系統布置示意圖如圖1所示。

1.3 振動測量與分析

圖1 振動監測系統布置示意圖Fig.1 Layout of vibration monitoring system

秦山二期3、4號機組4臺主泵在調試運行期間，均利用在線振動監測系統對振動進行監控，表1為4號機組1號主泵（4RCP001PO）在不同壓力和溫度下的振動情況[2]，從表1中可以看出，在不同環路溫度及壓力下的軸振動幅值有較大變化，這種變化主要由熱不平衡引起，而電機軸承振動幅值則變化不大。

由于在線監測系統儀表僅提供振動幅值，無法提供振動頻譜，因此在進行故障分析時需接入振動分析儀（DP1500便攜式測振儀）對主泵振動進行頻譜分析。圖2為4RCP001PO在狀態4下的軸振動頻譜分析圖，從圖中可以看出造成軸振動的頻率主要為一倍頻分量25?Hz，占85%以上，由此推斷振動主要原因是由不平衡原因導致。監測共發現有3臺主泵的振動水平較高，經頻譜分析后均實施了動平衡試驗，有效解決了振動問題。

表1 4RCP001PO各狀態參數Table1 Parameters on different condition of 4RCP001PO

圖2 4RCP001PO軸振動頻譜Fig.2 Shaft vibration spectrum of 4RCP001PO

2 動平衡試驗原理

2.1 不平衡概述

如果轉子剛體是均勻對稱的，繞對稱中心軸轉動，則各點離心力相互抵消。由于轉子本身組織不均勻或是加工誤差、裝配等造成質量偏心等都會引起旋轉軸線的偏移，從而導致不平衡。例如一個薄圓盤，若是質量分布不均，不能相互抵消平衡，就可以產生不平衡力，總效果是相當于某一個方向上多出一個當量的不平衡質量。對于長軸物體，如水泵轉子可看成多個不平衡圓盤的組合，不平衡質量的分布呈空間曲線形式。

2.2 動平衡原理

轉子因質量不平衡引起的離心力[3]，總是可以分解為作用在兩個已知平面上的兩個力（見圖3）。設想將某一截面mn分作兩部分，它可能產生下列3種不平衡情況：①兩部分的重心C1、C2處在同一軸向水平切面內，并在轉軸同一側（見圖3b），這種情況為靜不平衡；②兩部分的重心C1、C2處在同一軸向水平切面內，但在軸線兩側（見圖3c）。這時，轉子靜力是平衡的，但轉動時，C1、C2組成一個力偶，這種情況為動不平衡。即不平衡力只有在轉動時才呈現出來；③一般情況下，重心C1和C2可能在兩個不同的縱向切面內（見圖3d）。轉動時，一個由離心力G1和G2所組成的力系將作用在物體上，這個力系可分解為一個力偶和一個徑向的力，也即動、靜都不平衡。

動平衡的目的是平衡不平衡力和力矩，由于轉子上的平衡是分布式的，在轉子上存在多個不平衡力，可以分別向任選的兩個面簡化，這兩個面即通常我們所說的校正面。通常不平衡量可以由矢量來表示，符號為U，單位通常為g·mm。如圖4所示，轉子不平衡量在兩個校正面上分別為U1和U2。根據上述轉化，只需要在兩個校正面上加上兩個校正量，來平衡不平衡量和，就可實現平衡。即：W1＋U1＝0，W2＋U2＝0。

圖3 轉子質量不平衡狀態Fig.3 Mass imbalance state of rotor

圖4 轉子不平衡量的簡化圖Fig. 4 Brief drawing of rotor imbalance quantity

3 秦山二期3、4號機組主泵動平衡試驗

3.1 試驗工況

動平衡試驗的工況應當最接近主泵的正常運行工況，因此一般在熱停堆工況下進行。從前面1.3節分析可知，主泵不平衡雖然主要原因是由質量不平衡引起，但還有很大一部分原因是熱不平衡，這是導致在不同工況下振動不同的主要原因。

3.2 試驗限制參數

為保證動平衡試驗順利進行，且不對主泵軸承振動帶來大的影響，根據主泵運行維修手冊，須對一些試驗參數進行限制。

1)?如果動平衡試驗時主泵軸振動超過250?μm，則報警；超過381?μm時必須立即緊急停泵。

2)?如果動平衡試驗時電機軸承振動超過50?μm，則報警；超過76?μm時必須立即緊急停泵。

3)?如果主泵電機軸承振動在50?μm且振動增加速度達10?μm/h，軸振動在250?μm以上且大軸振動增加速度超過25?μm/h，立即緊急停泵。

4)?主泵電機（6?000?V高壓）說明書規定在連續啟動時，如果電機是全速運行，兩次啟動之間至少間隔20?min，如果電機是靜止的則至少間隔45?min，在2?h內啟動不能超過3次，如果在2?h內試行啟動了3次或3次啟動以后，必須讓電機運轉60?min或者靜止135?min使其冷卻。

3.3 試驗過程

1)?首先測量主泵原始振動，設為A0。根據原始振動計算不平衡質量及方位。首次加重可以根據經驗公式?P=KAWg/Rω2選取，式中，K為經驗數據，一般取0.002～0.004；A為振動雙振幅，μm；W為轉子重量，kg；g為重力加速度，g=9.8?m/s2；R為加重半徑，m；ω為角速度，ω=2πf，f為工作頻率。根據經驗，一般主泵動平衡采用單平面動平衡試驗方式，加重面選擇在泵端聯軸器，可取試加重量400～800g，取試加重為M0。

2)?測量試加重后的振動，設為A1，可以算出在轉子試加重M0所產生的振動矢量AM=A1-A0，因此影響因子φ為：φ=AM/M0（A1-A0）/M0。

3)?根據影響因子，計算修正重量M1，M1=M0/φ，停泵加修正重量M1。

4)?重新啟泵至試驗工況，測量振動數據，若振動狀態良好則停止試驗，否則重新計算修正重量，重復步驟3）。

3.4 試驗結果

秦山二期3、4號機組主泵在工廠性能試驗時就已進行過動平衡試驗，并把在工廠試驗工況下的聯軸器螺栓處的加重影響因子記錄在完工報告中，為了減少現場動平衡試驗主泵啟停次數，提高一次性成功率，可根據完工報告中的加重影響因子來計算現場首次加重。

3、4號機組在初次運行時有3臺主泵（3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO）的振動水平較高，根據上述加重影響因子，對3臺主泵進行了動平衡試驗，經過一次試驗加重后均達到理想振動狀態。

4 經驗總結與建議

1)?平衡手段不是解決振動的唯一方法[4]，只有在認真分析振動原因，確定是由不平衡故障引起時（經驗上一倍頻要占總振動值的85%以上）才可以對設備實施動平衡。

2)?影響主泵振動的原因主要有流量、溫度、壓力等因素，因此設備試驗工況應盡量接近正常運行工況，此外對于主泵，軸封水流量對泵本身振動情況也有較大影響，在進行動平衡試驗時，應盡量使每次的軸封水流量基本相同，且與正常運行時的流量一致。

3)?引起主泵振動的原因很多，特別是熱變量對動平衡的影響較大，當一倍頻分量中包含較大的熱變量時，泵啟動至狀態穩定需較長的時間，振動數據采集應在泵的狀態穩定后（包括軸封水流量和軸承溫度）方可進行。建議每隔一段時間記錄一組數據，根據經驗一般在試驗工況穩定運行半小時后振動幅值和相位趨于穩定。

4)?若計算出平衡質量過大時，應考慮將矢量分解。一個螺栓上的配重量不宜超過1?500?g。當主泵聯軸器平衡面上已有較多平衡塊時，應綜合考慮原有的平衡塊，盡可能減少平衡面的配重，若難以實施，可選擇慣性飛輪作平衡面。

5)?在進行主泵動平衡試驗時，應充分利用歷史數據。如上述3臺主泵現場動平衡試驗均根據完工報告中的加重影響因子來進行計算，較精確的計算出設備首次加重，提高了一次性成功率，有利于減少啟停泵次數，因此泵組出廠前的性能試驗對現場運行有極其重要的意義。

6)?建議在振動監測系統軟件中增加頻譜分析模塊，有利于實時監測主泵的振動狀態，且在現場動平衡時不必臨時接入頻譜分析儀。

5 結束語

秦山二期3、4號機組在調試運行期間共有3臺主泵進行了現場動平衡試驗，雖然這些試驗過程主要由生產廠家負責，但是經過1、2號機組多年的試驗研究，秦山二期核電站的技術人員已經可以自力更生，獨立自主的解決主泵振動問題，掌握了主泵故障原因分析及后續處理的相關技術，為各機組商運后主泵的安全穩定運行奠定了堅實的基礎，也為同類型主泵的振動動平衡處理提供了一定的借鑒經驗。

[1]?MHI.?秦山二期擴建工程主泵完工報告[R]，2009．(MHI.?Completion?Report?on?the?Primary?Pump?of?Qinshan?II?Expansion?Project[R],?2009.）

[2]?MHI.?秦山二期擴建工程3、4號機組主泵振動測量報告[R]，2011．（MHI.?Report?on?Primary?Pump?Vibration?Measurement?for?Unit?3?&?4?of?Qinshan?II?Expansion?Project[R],?2011.）

[3]?呂群賢．反應堆主泵現場動平衡[J]．核動力工程，2002，23（3）：63-68．（LV?Qun-xian.?On-site?Dynamic?Balance?of?Reactor?Coolant?Pump[J].?Nuclear?Power?Engineering,?2002,?23(3):63-68.）

[4]?趙振宇.?嶺澳核電站主泵動平衡[J]．中國設備工程，2011，04：32-34.（ZHAO?Zhen-yu.?Dynamic?Balance?of?the?Primary?Pump?in?Ling?Ao?NPP[J].?China?Equipment?Engineering,?2011,?04:32-34.）

Dynamic Balancing Test on the Site of Reactor Coolant Pump in Qinshan II

XIAO?Xiao-feng，XIAO?Jian
(CNNC?Nuclear?Power?Operations?Management?Co.，Ltd.，Haiyan?of?Zhejiang?Prov.?314300，China)

Based?on?the?principle?of?dynamic?balancing?of?reactor?coolant?pump,?the?paper?describes?that?when?the?high?vibration?status?occurred?for?the?reactor?coolant?pump,?vibration?spectrum?is?used?to?diagnose?the?unbalance?fault?via?the?vibration?monitoring?system,?dynamic?balancing?process?on?site?has?been?performed?to?reduce?the?reactor?coolant?pump?vibration?in?a?normal?level?during?the?commissioning?operation?of?Qinshan?II?Unit?3?&?4,?and?the?disposing?experience?is?useful?for?the?dynamic?balancing?of?reactor?coolant?pump?of?the?same?type.

reactor?coolant?pump;?dynamic?balancing;?vibration;?spectrum

TL37??Article character：A??Article ID：1674-1617(2014)02-0145-05

TL37

A

1674-1617(2014)02-0145-05

2013-12-05

肖孝鋒（1981—），男，湖南衡山人，工程師，碩士，主要從事核電設備采購與管理工作。