核電上充泵支承特性研究

摘 要：核電上充泵結構復雜，運行工況惡劣，受流體激振和軸承激振，以及支撐結構上的問題，常引發振動狀態問題。本文從狀態監測的角度分析了核電上充泵的軸承激振和支承特性并給出了治理方案，以便為該類設備的振動治理和設計優化提供參考。

關鍵詞：上充泵；振動；軸承輕載；共振

1.概述

上充泵（RCV泵）是化學和容積控制系統（RCV）的主要設備，共有3臺，在正常運行工況下，向反應堆冷卻劑系統充水保持穩壓器的水位，向三臺主冷卻劑泵注入第一級用的機械密封冷卻水；在一回路在失水事故工況下，作為高壓安注泵用于向一回路實施高壓安注，以防止堆芯裸露。因此，在核電廠事故情況下，上充泵屬于重要的安全設施。

上充泵泵組由6.6kV驅動電機、增速齒輪箱、泵等組成。本文所述上充泵型號RHM100-205.12，為多個核電廠采用。由于泵組結構復雜，系統運行工況多變，受力復雜。

對上充泵的狀態分析和診斷，有兩個重要方面：一是液力性能，二是支承性能。筆者在長期運行實踐中，進行了大量的振動測試、頻譜分析、敲擊試驗、解體檢查、軸承載荷分析等，對上充泵的液流激振和水力性能方面進行了研究分析[1]，在此基礎上，本文主要從泵體軸承和支承結構兩方面對上充泵的支承性能進行研究。

2.軸承激振

上充泵的振動異常問題，從設備運維的角度，其原因可分為流體工況異常和泵體部件異常兩個方面，具體包括流體擾動，環境溫度變化，泵軸向推力變化，泵入口汽蝕，葉輪與口環間隙變化，葉輪與導葉碰磨，軸承選型設計缺陷，軸承室油位偏差，軸承磨損和軸承潤滑異常等。

從振動故障診斷的角度，按照“輸入—系統響應-輸出”模式分析，其振動原因分為強迫振動激振力和系統響應兩方面。具體到該設備，其激振力的主要來源為流體對水力部件的作用和軸承受載及膨脹產生的額外作用力，簡稱為葉輪激振和軸承激振；系統響應方面則主要來自于設備支承結構的動力學剛度和固有頻率。

正常軸承振動來源于轉子，自身不產生額外激振力。但上充泵的軸承設計上存在載荷偏低問題，會導致軸承滾動體打滑，產生額外激振力[2]。

上充泵驅動端軸承型號NU312E，為單列圓柱滾子軸承，計算最小載荷1262N，而根據廠家資料，上充泵在不同流量工況軸承實際所受負載為725～744N，實際負載不足計算最小載荷的60%。同時從設計上，非驅動端推力軸承為熱膨脹死點，驅動端為自由膨脹端。因此，上充泵驅動端徑向軸承長期處于輕載運行狀態，且存在熱膨脹竄動，這常常為引起驅動端軸承打滑，導致振動升高。

當軸承存在明顯故障缺陷時，在運轉時會產生沖擊，導致軸承處振動、溫度異常，在頻譜中會產生典型的故障頻率成分。當滾動體打滑時會產生高頻振動能量增加，通常是三倍頻及五倍頻以上。

另一方面軸承油位也有重要影響。油位低時，軸承潤滑狀態不良，滾子與滾道及油液沖擊變大，易促進軸承打滑，且潤滑油油量少時阻尼小，軸承振動沖擊變大。

驅動端軸承輕載導致的上充泵振動故障，首先是要檢查油位，核實潤滑狀態，通過頻譜識別軸承是否有明顯故障缺陷。長期治理手段包括在驅動端軸承室下加裝支撐以及上抬驅動端軸承室止口，主要目的是增加驅動端軸承載荷，降低軸承打滑風險。

3.支承特性

通過改變支承結構，會對上充泵的振動狀態造成較大影響，其主要原因在于三個方面：一是改變了設備支撐剛度，二是改變了軸承承載狀況，三是改變了結構的固有頻率。剛度與振動成反比關系，剛度越大，振動越小。對軸承承載狀況的研究，則主要通過增加臨時支撐的方式進行對比，通常在軸系不同位置增加支撐后，軸承載荷確實發生變化，軸承溫度有所上升，但往往會導致振動波動幅度變大。

支承結構對上充泵振動影響最大的因素還來自于固有頻率，當固有頻率過于接近葉片通過頻率極其諧波頻率時，往往產生較大的振動。這主要是因為共振的關系，共振導致振動的放大，有顯著的頻率區間特點。

通過自激振動試驗，可得出對各臺上充泵支承的固有頻率，其中驅動端的固有頻率通常分布在500～600Hz之間。次級至末級葉輪的葉片通過頻率546Hz正在這一區間，當兩者較為接近時，振動會明顯增大。

對于支承偏弱及驅動端共振問題，主要通過改變支承結構的剛度和固有頻率來實現，在治理時需要綜合考慮，首先是要有效避開共振峰，通常需要將固有頻率調整到546Hz±10%以外的范圍。有效的治理手段包括增加支撐或阻尼墊和改變設計結構等。

4.結論

上充泵為單向多級離心泵，撓性細長轉子，且由于其功能設計的要求，長期運行工況并非泵的最佳工作點，加之軸承承載和支承結構設計上的不足，是其振動問題的主要原因。從振動故障分析的角度出發，則主要是受到葉輪激振、軸承輕載的額外激振力、驅動端的動力學剛度不足及共振效應等三方面的影響。本文就后兩個個方面的振動機理進行了分析，并提供了相應的治理建議。

參考文獻：

[1] 王家前、朱贏等. 撓性多級離心泵初生汽蝕的診斷研究. 設備管理與維修.2018

[2] 劉秀海，鄭凱等.高速圓柱滾子軸承打滑分析研究.中國科協年會：航空發動機設計、制造與應用技術研討會，2013.

作者簡介：

王家前，男，遼寧紅沿河核電有限公司，性能試驗工程師，ISO 18436-2振動分析師（Ⅲ級）。