反應(yīng)堆冷卻劑泵振動診斷分析及處理

周 念

（中廣核工程有限公司 廣東深圳）

反應(yīng)堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，其主要功能是使冷卻劑循環(huán)流動，導(dǎo)出堆芯熱量從而冷卻堆芯[1]。該設(shè)備的運行狀態(tài)對核電站的安全以及經(jīng)濟效益有著極其重要的影響。

某核電站在機組調(diào)試以及維修期間[2]，發(fā)現(xiàn)有兩臺主泵在啟動過程中振動呈現(xiàn)增大的趨勢，在到達熱停平臺后振動位移值分別高達175 μm和219.5 μm。通過對振動故障的診斷與分析，并進行動平衡試驗，有效地改善了兩臺主泵的振動狀態(tài)，保證了主泵的安全運行。

一、反應(yīng)堆冷卻劑泵和臨時診斷測量裝置簡介

1.反應(yīng)堆冷卻劑泵

該核電站兩臺機組均采用CPR1000型反應(yīng)堆，每臺機組分別包含3個環(huán)路，每個環(huán)路各有1臺主泵，用于驅(qū)動冷卻劑在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。兩臺機組的主泵皆選用立式、電動、單級離心泵，額定轉(zhuǎn)數(shù)均為1485 r/min，電機軸承采用油潤滑，定子繞組采用水冷卻，葉輪為7枚扭曲葉片的整體鑄件。為了監(jiān)視主泵的運行狀況，每臺主泵均安裝有在線振動監(jiān)測系統(tǒng)。

2.臨時診斷測量裝置

在機組調(diào)試以及維修期間發(fā)現(xiàn)其中兩臺主泵發(fā)生振動異常，然而上述在線監(jiān)測裝置不能系統(tǒng)反映振動的波形、頻率、相位以及軸心軌跡等參數(shù)，無法對泵的振動進行深入分析，不利于解決泵的振動問題，因而需要安裝臨時診斷測量裝置，對泵的振動進行全面、科學的診斷分析。該裝置由振動數(shù)據(jù)采集儀和6個振動傳感器等部件組成，振動數(shù)據(jù)采集點布置如 圖1所示。采集點①處兩個振動速度傳感器互成90°安裝在主泵電機上軸承平面上，采集點②處兩個振動速度傳感器采用同樣的方法安裝在電機下軸承平面上，采集點③處兩個振動移位傳感器互成90°安裝在電機與泵聯(lián)軸器平面上。此外，在聯(lián)軸器上貼有反光紙作為鍵相零位，同時利用激光轉(zhuǎn)速儀采集相位信號。

二、振動數(shù)據(jù)測量以及故障診斷

1.振動數(shù)據(jù)測量

圖1 主泵振動數(shù)據(jù)采集點布置示意圖

1號主泵在調(diào)試期間振動出現(xiàn)異常，在冷態(tài)下啟動主泵時振動較大，其軸位移達到140 μm左右；隨著機組的上行升溫升壓，振動數(shù)值持續(xù)增大，當一回路達到熱停平臺時，振動數(shù)值到達175 μm左右，且在每次啟停主泵時振動都有增大的趨勢。

2號主泵在維修后啟動主泵時，其軸位移達到190 μm左右；隨著機組的上行振動數(shù)值持續(xù)增大，當一回路達到熱停平臺時，振動數(shù)值到達219.5 μm左右。

2.振動故障診斷

引起主泵振動的原因有很多，如支撐座剛度不足、聯(lián)軸器缺陷、動靜部件摩擦、轉(zhuǎn)子熱變形、轉(zhuǎn)子不平衡等。每一種原因?qū)е碌墓收隙加衅涓髯蕴卣?，而相同的振動特征可能是由不同的振動原因引起，只有正確分析導(dǎo)致泵振動的原因，對癥下藥，才能解決泵的振動問題，保證泵的安全、可靠運行[3]。

圖2 主泵振動頻譜圖

通過臨時測量裝置采集泵的初始振動參數(shù)可有效定位引起泵振動的原因，由測量裝置測得的兩臺主泵的頻譜圖如圖2。

由圖2可見，兩臺主泵的振動主頻率均為25 Hz左右，而泵的額定轉(zhuǎn)數(shù)均為1 485 r/min，振動的主頻為與轉(zhuǎn)速同步的工頻分量。由此可知，引起該主泵振動的原因可能是轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子熱變形、動靜摩擦、支撐座剛度不足等。

對繪制的軸心軌跡圖進行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩臺主泵的軸心軌跡均為橢圓形，沒有出現(xiàn)“8”字形或“香蕉”形波形，且曲線較為光滑沒有明顯毛刺，整個軌跡圖為正進動狀態(tài)，沒有出現(xiàn)反進動狀態(tài)。由此可以得出，聯(lián)軸器對中不良以及動靜摩擦不是導(dǎo)致該主泵振動的原因。

對繪制的波形圖進行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩臺主泵的振動波形均為正弦波，曲線較為光滑，沒有出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)削波、拍形波以及高低頻混合波形的現(xiàn)象。由此可以排除動靜摩擦、軸承損壞、相近頻率振動等故障。

同時，當兩臺主泵運行在一個穩(wěn)定狀態(tài)時，振動的幅值以及相位均維持穩(wěn)定，而在進行升溫升壓以及主泵的啟停時振動均呈現(xiàn)上漲的趨勢?？芍鞅棉D(zhuǎn)子存在一定的熱變形。

此外，兩臺主泵配備的電機支撐于泵殼的接觸面積在75%以上，電機的支撐座在上下高度相近的兩點振幅差均＜8 μm，且在圓周上同一高度的兩點振動幾乎相等，電機繞組以及軸承各溫度測點測得的溫度一致，由此排除支撐系統(tǒng)剛度不足、膨脹不暢等故障。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)振動故障具有如下特征：波形為正弦波，軸心軌跡為橢圓形，主頻為與轉(zhuǎn)速同步的工頻分量，振動幅值和相位在穩(wěn)定平臺時較為穩(wěn)定。綜上可知，引起兩臺主泵振動異常的原因為轉(zhuǎn)子不平衡以及轉(zhuǎn)子熱變形。

轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機械最常見的故障原因，通常采用動平衡試驗的方法，在轉(zhuǎn)子適當?shù)牟课簧霞又鼗蛉ブ?，調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置，以使不平衡力減小到能夠滿足泵穩(wěn)定運行的條件。

針對轉(zhuǎn)子熱變形故障，通常采用熱平衡的方法來處理。熱平衡主要是在制定加重方案時兼顧考慮空載和滿負荷下的振動，但通過對振動參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，負荷在變化時熱變形的幅值變化較大，此外兩臺主泵處于剛開始運行狀態(tài)，運行時間較短，無法判斷長時間運行時熱變形量是否穩(wěn)定，因而不適合采用熱平衡處理方法來處理。

針對上述原始振動和熱變形量都較大的現(xiàn)象，可采取動平衡的方法將轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動減小，同時由熱變形引起的振動也將隨之減小[4]。因此，針對上述兩臺主泵的振動故障，采取動平衡的方法來處理是科學、合理的。

三、動平衡試驗

動平衡前兩臺主泵的原始振動參數(shù)見表1。

動平衡基本思路是[5]：首先選定平衡轉(zhuǎn)速，平衡轉(zhuǎn)速必須是恒定的，再通過加重試驗求出加重對振動的影響系數(shù)，進而求出應(yīng)加的平衡質(zhì)量。剛性轉(zhuǎn)子（工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速）動平衡通常需要兩個平面，而上述兩臺主泵的轉(zhuǎn)子失重面均為一個確定平面，可以采用單平面的平衡方法來處理。

根據(jù)主泵動平衡的經(jīng)驗，考慮各種不確定因素后，決定在1號、2號主泵聯(lián)軸器處分別加配重846 g和790 g。試加配重后測得的振動參數(shù)見表2。

表1 主泵原始振動參數(shù)

表2 首次試加配重后振動參數(shù)

由表2可知，1號主泵在試加配重后，軸振位移從175 μm左右降至80 μm左右，振動得到有效控制，泵達到良好的運行狀態(tài)，不需要再次添加配重；2號主泵的軸振位移從219.5 μm左右降至161 μm左右，振動得到一定改善，但軸振動位移仍較大，需要根據(jù)影響系數(shù)進行第二次添加配重。

2號主泵最終確定再添加1005 g的配重進行第二次動平衡試驗，試驗前后振動參數(shù)如表3所示。

由表3可見，2號主泵在第二次添加配重后，軸振位移從161 μm左右降至66.5 μm左右，振動得到進一步控制，保證了泵的安全運行。

四、結(jié)束語

振動是泵較為常見的故障，主泵作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全、可靠的運行對核電站起著至關(guān)重要的作用。通過對核電站兩臺主泵振動的測量和診斷，分析了導(dǎo)致振動故障的原因，并通過動平衡試驗，將兩臺主泵的振動降低到較低水平，保證了主泵安全可靠地運行，為核電站的安全和效率提供了保障。

表3 動平衡前后2號主泵振動參數(shù)

1 廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2004

2 趙振宇，高培.嶺澳核電站動平衡[J].中國設(shè)備工程，2011，4：32～33

3 楊建剛.旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007

4 姜元鋒，傅汝楫，包玉宏.鍋爐給水泵振動診斷及案例分析[J].機械強度，1987，6：6～12

5 王維民，高金吉，江志農(nóng)，李燕.旋轉(zhuǎn)機械無試重現(xiàn)場動平衡原理與應(yīng)用[J]. 振動與沖擊，2011，29（2）：212～215