立式高壓電機軸承振動故障分析與治理

文 學(xué)，楊全超，侯曉宇

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

1 引言

1.1 安噴泵電機簡介

核電廠1#和2#機組的4 臺安全殼噴淋泵電機（以下簡稱安噴泵電機）由國外供應(yīng)商制造。電機（軸長2120 mm）通過8 顆機座螺栓定位在環(huán)形連接板上，環(huán)形連接板通過16 顆螺栓緊固在方形基礎(chǔ)板上，方形基礎(chǔ)板通過8 顆雙頭螺柱緊固于砼中，如圖1 所示。安噴泵電機的主要參數(shù)見表1。

圖1 安噴泵電機布置圖

表1 電機主要參數(shù)

1.2 故障概述

核電廠4 臺安噴泵電機在空載試車時，均產(chǎn)生不同程度的振動值超標(biāo)故障。測試分析發(fā)現(xiàn)，4 臺電機振動故障有以下共同特點:

（1）故障階段：電機空載試車。

（2）故障位置：非驅(qū)動端軸承。

（3）故障方向：均表現(xiàn)為單一徑向（水平方向）振動值超標(biāo)。設(shè)備故障期間的振動烈度如表2 所示。

表2 安噴泵電機故障振動烈度

2 安噴泵電機振動故障原因分析與處理方案

電機振動故障的原因和機理錯綜復(fù)雜，為準(zhǔn)確診斷故障根本原因，采用根本原因分析[1]技術(shù)（Root Cause Analysis，RCA）和頻譜分析等手段，以保障故障分析的準(zhǔn)確性和正確性。

2.1 RCA 簡介

RCA 根本原因分析通過一系列系統(tǒng)化、邏輯化和規(guī)范化的分析診斷設(shè)備的故障機理和根本原因，據(jù)此制定科學(xué)合理的處理方案，以徹底消除設(shè)備故障并恢復(fù)設(shè)備功能的方法。RCA 的主要流程如圖2 所示。

2.2 頻譜分析

測量4 臺電機轉(zhuǎn)速均為1486 r/min，由此計算電機轉(zhuǎn)速頻率（工頻）為：工頻=

采用EMERSON CSI2130 機械狀態(tài)分析儀獲取4 臺電機的頻譜圖，發(fā)現(xiàn)具有相似性：均為單一徑向（水平方向）振動值超標(biāo)，垂直和軸向振動值較小等。以1EAS001MO 對應(yīng)頻譜圖為例分析，如圖3 所示。

圖2 RCA 主要流程

圖3 1EAS001MO 電機軸承故障方向振動頻譜圖

依據(jù)故障頻譜圖，對4 臺電機軸承振動分析如下。

（1）故障頻譜圖呈唯一突出的25±0.05 Hz 分量,其他分量極小。

（2）激振力不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而變化（單一徑向振動值超標(biāo)），即本故障為定向振動故障。

（3）故障頻率與轉(zhuǎn)子工頻接近，即本故障為工頻振動故障。

根據(jù)實踐經(jīng)驗及同行研究[2-4]，列寫故障的可能原因（故障模式）有：電氣故障、軸彎曲、軸承缺陷、轉(zhuǎn)子不平衡、冷卻水管載荷、冷卻器偏置、基礎(chǔ)缺陷和共振。

2.3 根本原因分析

根據(jù)前述故障模式，結(jié)合振動理論和現(xiàn)場測試，診斷振動故障的根本原因。

2.3.1 電氣故障分析

現(xiàn)場采用斷電法[5]監(jiān)測電機斷電后振動值未明顯立即降低，檢查電氣接線等正確。判定電氣故障不是根本原因。

2.3.2 軸彎曲分析

軸彎曲產(chǎn)生的振動故障常表現(xiàn)為：徑向和軸向振動均較大；頻譜圖顯示工頻及其二倍頻（或多倍頻）等成分。上述特征與現(xiàn)場實際情況不符。判定軸彎曲不是根本原因。

2.3.3 軸承缺陷分析

因軸承部件缺陷導(dǎo)致的振動故障，一般會產(chǎn)生對應(yīng)的特征頻率[6]。依據(jù)軸承型號（7319BECBM），查閱SKF 公司軸承手冊[7]獲取軸承參數(shù)，計算該軸承的特征頻率如表3 所示：

表3 軸承部件缺陷特征頻率計算

式中 z——滾動體數(shù)量，個

n——軸轉(zhuǎn)速，r/min

D——軸承節(jié)圓直徑，mm

d——滾動體直徑，mm

α——公稱接觸角，rad

分析表3 可知：部件缺陷特征頻率及其倍頻未出現(xiàn)在頻譜圖中。現(xiàn)場檢查軸承噪聲、溫升和潤滑正常。判定軸承缺陷不是根本原因。

2.3.4 轉(zhuǎn)子不平衡分析

故障為定向振動故障（單一徑向振動值超標(biāo)），即激振力不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而變化，設(shè)備出廠時動平衡試驗合格。而轉(zhuǎn)子不平衡時激振力（偏心質(zhì)量的離心力）會隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而變化，從而一般會導(dǎo)致軸承徑向的水平和垂直方向均產(chǎn)生振動值超標(biāo)現(xiàn)象。上述現(xiàn)象與現(xiàn)場實際不符，判定轉(zhuǎn)子不平衡不是根本原因。

2.3.5 冷卻水管載荷分析

分析冷卻水管（不銹鋼管）載荷產(chǎn)生振動故障可能由2 方面原因所致：①冷卻器水管安裝不良導(dǎo)致對電機施加過大應(yīng)力；②冷卻水沖擊力過大所致。采取以下措施驗證。分析表4 可知：冷卻水管載荷不是根本原因。

表4 檢查冷卻器水管載荷因素的措施與效果

2.3.6 冷卻器偏置分析

電機冷卻器（滿水時502 kg）偏置在電機一側(cè)，可能使電機地腳螺栓受力不均產(chǎn)生搖擺等導(dǎo)致振動故障。通過對電機冷卻器增加臨時支撐，振動值仍未降低。判定冷卻器偏置不是根本原因。

2.3.7 基礎(chǔ)缺陷分析

經(jīng)核查設(shè)備運行維護手冊[8]后發(fā)現(xiàn)：電機的機座螺栓、連接板螺栓和基礎(chǔ)板螺栓在手冊中存在不同的力矩值標(biāo)準(zhǔn)，如表5 所示。分析表5，發(fā)現(xiàn)供貨商C 版標(biāo)準(zhǔn)（現(xiàn)行采用）的力矩值較小，可能導(dǎo)致螺栓緊固不足產(chǎn)生松動，從而導(dǎo)致振動故障。

表5 設(shè)備運行維護手冊中的力矩值 （N·m）

鑒于電機結(jié)構(gòu)和故障特征等的相似性，從1EAS001MO 著手進行地腳螺栓力矩調(diào)整以探究故障原因，如表6 所示。分析表6 可知：①地腳螺栓力矩值增加而振動值未減小(且增大)，故排除了螺栓緊固不足導(dǎo)致振動故障的分析；②振動值隨螺栓力矩增大（減小）而顯著增大（降低），這符合地腳螺栓虛腳或底板變形等導(dǎo)致的振動故障特征。綜上分析可知：根本原因之一是基礎(chǔ)缺陷（地腳螺栓虛腳或底板變形）

表6 1EAS001MO 地腳螺栓力矩調(diào)整后的振動值

2.3.8 共振機理分析

盡管電機出廠時已驗證動平衡試驗合格（G2.5），但轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各微元的質(zhì)心不可能絕對處于回轉(zhuǎn)中心線上，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生周期性的激振力（偏心質(zhì)量的離心力），在電機基礎(chǔ)缺陷或支撐剛度不足等情況下，可能由于激發(fā)起一定程度的共振而導(dǎo)致系統(tǒng)振動值超標(biāo)。

依據(jù)牛頓第二定律，分析轉(zhuǎn)子的共振機理，如表7 所示：

式中 M——電機質(zhì)量，kg

m——偏心質(zhì)量，kg

x——振動位移，m

C——阻尼系數(shù)，N·s/m

K——剛度，N/m

e——偏心距，m

ω——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)圓頻率，rad/s

φ——初相位角，rad

分析表7 可知：

表7 共振機理分析

（1）轉(zhuǎn)子固有的微元質(zhì)心偏差導(dǎo)致周期性振動，頻率為工頻。

（2）振幅A 隨剛度增大而變小，在ω0與ω 相等時，A 最大（共振）。

對電機進行敲擊試驗，得出一階固有頻率為24.7 Hz，與工頻相近。

綜上分析可知：根本原因之一是共振。

2.4 故障處理方案

根據(jù)前述根本原因分析并結(jié)合振動故障處理經(jīng)驗，分析故障的主要處理方案如表8 所示：

表8 故障根本原因及對應(yīng)處理方案

3 安噴泵電機振動故障處理

根據(jù)前述故障根本原因分析與處理方案，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，分別對4 臺電機進行調(diào)整和驗證。

3.1 1EAS001MO 電機振動故障處理

根據(jù)前文地腳螺栓虛腳的原因分析和處理方案①，對本電機進行虛腳檢查與消除處理，主要過程如下：

（1）標(biāo)記。將電機座和連接板法蘭面分別等分為16 個測點并標(biāo)記（兩法蘭面的測點應(yīng)在法蘭就位時重疊）。

（2）架表。架百分表于電機聯(lián)軸器（泵聯(lián)軸器）測量電機座法蘭面（連接板法蘭面）跳動并記錄。

（3）計算。將電機座法蘭和連接板法蘭重疊位置的測點數(shù)值分別求代數(shù)和Xi，其中最大值為Xmax，則任一測點虛腳（間隙）值為Xj。

（4）墊實。根據(jù)計算的虛腳值，添加對應(yīng)厚度（Xj）的墊片。

重新進行電機空載試車，非驅(qū)動端軸承最大振動值為1.8 mm/s。消除電機座地腳螺栓的虛腳后，1EAS001MO 振動值合格。

3.2 1EAS002MO 電機振動故障處理

按照方案①處理1EAS002MO，故障無法消除，甚至振動值一度達11.3 mm/s。據(jù)前文分析，判斷1EAS002MO 電機存在底板變形。經(jīng)檢查電機底板，得出如下可能導(dǎo)致振動值超標(biāo)的因素：

（1）法蘭翹邊。檢查發(fā)現(xiàn)連接板與電機座配合法蘭面、基礎(chǔ)板與連接板配合法蘭面均存在一圈0.10 mm 的翹邊（如圖4示）。翹邊使法蘭面地腳螺栓產(chǎn)生虛腳，還使得法蘭過度擠壓而導(dǎo)致振動故障。

圖4 1EAS002M0 底板法蘭面翹邊示意圖

（2）原法蘭墊片選型不合理。檢查發(fā)現(xiàn)上述法蘭的非石棉墊片（KLINGERSIL C4430）質(zhì)地較硬，且墊片部分區(qū)域已被擠壓損壞（表明法蘭配合不均），即該墊片不能將地腳螺栓虛腳充分填充。

為此，分析1EAS002MO 振動故障主要處理方案為：機加工（②）和添加減振墊片（③）。盡管方案②可一次性消除缺陷，但根據(jù)現(xiàn)場進度等綜合考慮，本故障采用方案③處理。

經(jīng)對比分析論證，選定了GORE 膨化聚四氟乙烯墊片。該墊片具有普通聚四氟乙烯使用范圍廣等優(yōu)點，摒除普通聚四氟乙烯硬度過大等缺點，具備良好的柔韌性和抗蠕變性、壽命長、減振效果好等優(yōu)點[9-11]。根據(jù)方案③，在配合法蘭面處分別添加一圈2.5 mm 厚GORE 墊片。將電機重新空載試車，非驅(qū)動端軸承最大振動值為0.6 mm/s。添加減振和補償墊后，1EAS002MO 振動值合格。

3.3 2EAS001MO 電機振動故障處理

參照前述處理經(jīng)驗，對2EAS001MO 電機基礎(chǔ)進行檢查后發(fā)現(xiàn)：電機基礎(chǔ)板法蘭端面跳動超標(biāo)（最大0.38 mm），如圖5 所示。

基于施工質(zhì)量和工程進度等綜合考慮后，故障采用方案②處理。將法蘭進行機加工后最大端面跳動為0.02 mm。電機重新空載試車，非驅(qū)動端軸承最大振動為2.0 mm/s。底板法蘭機加工后，2EAS001MO 電機振動值合格。

3.4 2EAS002MO 電機振動故障處理

2EAS002MO 電機參照前文所述方法進行基礎(chǔ)板法蘭機加工等處理后，故障仍未消除。結(jié)合前文分析可知：消除電機基礎(chǔ)缺陷后可能還存在共振現(xiàn)象。為此，采用方案④處理。在冷卻器進出口冷卻水管分別加設(shè)支撐，以此增加電機（特別是非驅(qū)動端軸承室）的安裝剛度，減小振幅。重新空載試車，非驅(qū)動端軸承最大振動值為2.5 mm/s。冷卻水管加設(shè)支撐（方案④）后，2EAS002MO 電機振動值合格。

圖5 2EAS001MO 電機基礎(chǔ)板法蘭端面跳動值（mm）

4 結(jié)束語

綜上所述，采用頻譜分析等手段，采樣顯示，頻譜圖均呈唯一突出的工頻故障分量，轉(zhuǎn)子不平衡、軸彎曲、地腳螺栓虛腳等均可能導(dǎo)致工頻振動故障。結(jié)合根本原因分析（RCA）、頻譜分析和現(xiàn)場反復(fù)驗證，依次排除了軸彎曲、軸承缺陷、轉(zhuǎn)子不平衡、冷卻水管載荷、冷卻器偏置等因素，判定導(dǎo)致軸承振動超標(biāo)的原因是基礎(chǔ)缺陷（地腳螺栓虛腳或底板變形）和共振共同作用的結(jié)果。結(jié)合現(xiàn)場反復(fù)測試和驗證，制定科學(xué)合理的解決方案，最終成功解決電機振動高問題。主要得出如下結(jié)論：

（1）核電1#和2#機組4 臺安噴泵電機非驅(qū)動端軸承徑向振動值超標(biāo)的主要原因是法蘭平面度超差（制造質(zhì)量）、地腳螺栓虛腳（安裝質(zhì)量）和共振（技術(shù)設(shè)計）共同作用的結(jié)果。

（2）加強設(shè)備設(shè)計和選型等環(huán)節(jié)的審查監(jiān)管，從源頭上提高設(shè)備可靠性水平。

（3）加強設(shè)備的監(jiān)造管理力度，提高設(shè)備制造質(zhì)量水平；加強設(shè)備安裝管理，防止安裝缺陷導(dǎo)致設(shè)備故障發(fā)生。