核電站立式泵-電機振動高設計改進

柯 嘯

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核電站立式泵-電機振動高設計改進

柯 嘯

（中廣核陽江核電有限公司，廣東陽江 529500）

陽江核電站1號機組低壓安注泵/安全殼噴淋泵電機在調試期間，4臺電機均出現不同程度振動超標情況，為解決該型號電機振動的共性問題，電廠采用根本原因分析法對電機振動原因進行逐項分析。通過增強電機強度、改變電機定轉子間隙、更換軸承配合形式等方法并結合頻譜分析，最終解決了電機振動超標問題。通過根本原因分析法及試驗，解決了該型號電機設計中電機支撐板剛度不足、軸承選型搭配不合理、轉子共振等問題，為后續同型號電機生產提供了指導。本文主要介紹了針對電機振動高的處理過程與結果，對該類型電機振動的原因進行了深入分析。

核電站；泵-電機；振動；根本原因分析法

低壓安注和安全殼噴淋（RIS/EAS）系統是核電站反應堆重要的專設安全設施，低壓安注泵和噴淋泵組是RIS/EAS系統的重要組成部分。陽江核電站1號機組的低壓安注泵和安全殼噴淋泵組是CPR1000核電機組首次進行國產化替代的設備，該類型電機在1號機組調試期間頻繁出現電機振動超標問題。本文主要介紹了針對電機振動高的處理過程與結果，對該類型電機振動的原因進行了深入分析，通過對設備進行改造和結構優化，解決了該型號電機振動的共性問題，提高了機組的安全穩定性。

1 電機振動故障現象

陽江核電RIS/EAS電機屬同類型設備。在1號機調試期間4臺電機空載試驗非驅動端軸承振動均出現不同程度的超標現象，最大振動值達11.5mm/s（振動驗收標準≤2.8mm/s），并伴隨有明顯的“嗡嗡”異響。

現場主要異常情況如下：

1）冷態不振，熱態振。電機運行初期振動良好，運行一段時間后，電機振動加劇，逐漸上升并超過標準。

2）鐵地不振，工裝振。電機在制造廠內試驗時，在鐵地空載試驗結果合格，但運輸至現場進行空載時振動超標。

3）負載不振，空載振。電機在帶泵運轉情況下振動良好，但電機空載期間振動異常。

2 故障原因分析

根據電機振動特點初步分析：

1）冷態不振，熱態振。在電機運行一段時間后，軸伸端軸承可能存在潤滑不足，導致軸承滾子與滑道相對滑動，引起電機振動。

2）鐵地不振，工裝振。原電機軸承結構支撐下的電機轉子運轉過程中，可能某一頻率的擾力與模擬試驗工裝固有頻率接近，引起共振，導致電機振動超標。

3）負載不振，空載振。根據立式電機轉子支撐結構特點，空載下轉子處于自由懸浮狀態，沒有足夠的預加載荷，導致電機自激振動。

對造成電機振動的原因采用根本原因分析 法[1]進行分析，見表1。

表1 故障原因分析表

（續）

可能的故障模式支持的證據反對的證據可能性 油脂不足加油時電機振動有所減小①潤滑油增多導致軸承溫度升高，從而油膜更容易形成；②現場潤滑油非常充足時振動仍較高。低 油脂過量油脂加注較多，軸承溫度有所升高，但緩慢平穩下降軸承油脂補充至集油盒內有油脂排出時停止低 共振 轉子共振無電機轉子是剛性轉子，工作轉速遠小于其一階臨界轉速低 轉子與電機本體共振①現場使用敲擊法測量電機下機架處固有頻率約在23～28Hz，與轉頻比較接近；②廠家模擬工裝頻譜測試數據最大振動值出現在工頻52Hz接近2倍轉頻。無高

3 改造過程

針對電機振動根本原因分析法中可能性較高的幾項原因，現場逐一進行了試驗改進。

基礎剛度改進：電機支撐板剛度不足及連接剛度低。主要改進項目是：①電機定子機座；②機座與法蘭端蓋一體設計；③電機支撐板增加加強筋[2]；④增大電機底板連接螺栓力矩值。

3.1 基礎剛度改造情況

1）電機支撐板增加環形加強筋，以改變系統剛度（如圖1和圖2所示）

（a）改進前的支撐板

（b）改進后的支撐板（圖中圈內改進后環形加強筋）

圖1 支撐板改造前后

2）電機機座增加加強筋

改造后試驗情況：空載振動超標，負載振動3臺合格，1臺振動3.9mm/s。

3）增大電機支撐板與基礎連接力矩

電機安裝法蘭M27螺栓緊固力矩由80N·m改為500N·m，基礎底架與基礎底板安裝處M45螺栓緊固力矩由256N·m改為616N·m，現場試驗證明，螺栓力矩增大后電機振動值減小[3]。

3.2 軸承選型搭配不合理及共振問題改進

從前一階段改進電機“冷態不振，熱態振；鐵地不振，工裝振；負載不振，空載振”的振動特點分析，認為導致電機振動超標的根本原因是：電機軸承選型不合理，結構上抗擾能力差。最終確定將驅動端軸承由圓柱滾子軸承NU224改為深溝球軸承6224，將法蘭端蓋止口尺寸由1000調整為900。定轉子氣隙由1.8mm改為2.3mm。

1）改進軸承選型搭配

原設計采用驅動端圓柱滾子軸承，非驅動端深溝球軸承的配對形式。該配對選型在立式電機上使用的案例較少，這樣定位的轉子在立式運轉中有鐘擺式轉動趨勢，不利于轉子的穩定運行。從帶載（軸系增加了約束）情況下振動很好可以得到驗證，改進后兩端采用深溝球軸承，很好地實現了轉子的徑向約束，有利于穩定運轉。

電機伸端分別采用圓柱滾子軸承和深溝球軸承頻譜測試，當電機工作頻率為25Hz時，采用圓柱滾子軸承比采用深溝球軸承振動值大[4]。

2）將電機法蘭端蓋止口尺寸由1000mm調整為900mm

從電機振動特點和頻譜分析看出，電機振動頻率接近電機固有頻率，從改變系統固有頻率著手。將接口法蘭止口尺寸由1000mm改為900mm，在模擬工裝上分別進行振動測量。分析發現1000mm時，最大振動值出現在工頻52Hz即轉頻26Hz；900mm時，最大振動值出現在工頻43Hz即轉頻21.5Hz。試驗結果表明支撐系統最大振動值出現的工頻由52Hz改變為43Hz，有效避開了電機的轉子工作頻率（24.75Hz），且振動速度值由9.2mm/s下降到1.3mm/s。

3)電機定轉子氣隙改進：將電機定、轉子氣隙值由1.8mm改為2.3mm，減少電磁擾力[5,7]

首次起動空載試驗電機振動超標時，電機返廠解體檢查發現電機轉子中部和非驅動端一側的硅鋼片發現整圈劃痕。檢查定子上并無相應劃痕，擴大氣隙有利于減少電磁擾力，增強轉子運轉穩定性[6]。

4 改造后驗證

1）軸承壽命計算

SKF公司對換型后軸承計算，結果軸承壽命大于10萬h，滿足技術規格書要求。

2）抗震分析結果

對安注泵、噴淋泵電機進行抗震分析計算，結果滿足相關規范和技術規格書要求。

3）頻譜測試

改進后將電機安裝在基礎底架與基礎底板上，進行頻譜測試，系統特征頻率為22Hz，遠離電機軸頻為25Hz，避開共振頻率。

4）電機試驗情況

改進后根據試驗大綱，完成了各項試驗項目，電機各項性能指標滿足技術規格書要求。

安注泵-電機性能參數對比見表2。

表2 安注泵-電機性能參數對比

（續）

性能參數標準值改進前（試驗值）改進后（試驗值） 堵轉轉矩/額定轉矩/（N·m）0.801.151.00 最大轉矩/額定轉矩/（N·m）2.002.242.65 振動/（mm/s）≤2.300.900.40 噪聲/dB(A)≤85.0076.2074.40

表3 噴淋泵-電機性能參數對比

5）泵組試驗

現場進行對泵機進行小流量及全流量試驗，試驗結果合格見表4。

表4 泵組試驗驗證

5 結論

本文針對核電站安注/安噴立式電機振動特點，采用根本原因分析法，逐一進行分析驗證，結合電機結構改造及試驗確定了通過增加電機結構強度，改變軸承選型、增大緊固力矩及擴大轉子氣隙的方法，解決了電機振動大的問題。引起立式電機振動的原因種類很多，通過采用根本原因分析法，系統性地分析所有可能的原因，為后續同型號電機生產提供了指導，也為現場處理電機振動問題提供經驗借鑒。

[1] 陳劍. 火力發電廠電氣設備狀態檢修實例分析[J]. 電氣技術, 2014, 15(10): 134-136.

[2] 徐建國. 大型高速電機軸向振動的分析和處理[J]. 電機技術, 2013(4): 38-39.

[3] 徐禮超, 鄭松林. 缸蓋螺栓擰緊力矩對發動機機體振動影響的試驗研究[J]. 機電工程技術, 2006, 35(10): 37-39.

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[5] 王聰, 關新, 譚駿, 等. 永磁同步電機弱磁性能參數的有限元分析[J]. 電氣技術, 2015, 16(7): 16-19, 26.

[6] 吳勝男, 唐任遠, 韓雪巖, 等. 磁致伸縮引起的非晶合金鐵心振動解析計算及影響因素[J]. 電工技術學報, 2016, 31(20): 73-82.

[7] 范堅堅, 吳建華. 極間隔斷Halbach型磁鋼的永磁同步電機氣隙磁場解析計算及參數分析[J]. 電工技術學報, 2010, 25(12): 40-47.

Improvement of Vertical Pump-motor Vibration Design for Nuclear Power Station

Ke Xiao

(Yangjiang Nuclear Power Station, Yangjiang, Guangdong 529500)

Yangjiang Nuclear Power Station unit 1 safety injection pump-motor, the motor occurred with high vibration during the trial process. In order to solve the common problem of the motor vibration of the model, the root cause analysis method was used to analyze the motor vibration. The problem of excessive motor vibration was virtually solved by increasing the motor strength, changing the motor stator and rotor clearance, replacing the bearing form, and meanwhile combining with spectral analysis. During the motor design, problems such as insufficient stiffness of motor support plate, inappropriate lectotype of bearing, resonance of rotor has been solved by root cause analysis and the related experimental. This paper described the process and result of the high vibration of motor, and analyzed the root-cause of motor vibration.

nuclear power station; pump-motor; vibration; root cause analysis method

柯 嘯（1987-），男，陽江核電有限公司，機械部設備管理工程師,從事機電設備管理工作。