核電站重要水泵電機振動異常原因分析及對策

趙鵬

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司,黑龍江 哈爾濱150000)

核電站重要水泵電機就是人們常說的SEC 泵,其作用主要是進行海水冷卻循環(huán),為核島提供冷水水源,可以理解為是一個安全系統(tǒng),即便是在核電站反應堆停止的時候,重要水泵電機也是持續(xù)保持運轉(zhuǎn)的,如果該設備停止運行,將會給核電站造成巨大的損失,甚至造成嚴重災難。而振動情況則是評價核電站重要水泵電機運行可靠度的一個重要指標,由此可見,對電機泵振動異常原因進行分析并對該類危害加以控制解決,是十分有必要的。

1 重要水泵電機結構介紹

核電站的重要水泵電機屬于大型立式的單級、單吸離心泵設備,泵機的吸入口是垂直向下設置的,吐出口則是水平伸出的,為了能夠具備足夠的抗壓能力,泵本體還進行必要的密封處理,同時配備有油脂潤滑的滾動軸承,聯(lián)軸器構件為膜片,采用非剛性連接方法。泵組采用雙基礎結構,電機與電機泵分別位于不同的基礎結構,其中電機的支架安裝基礎相對較高,泵本體則安裝在較低的基礎結構部位。這種結構設置方法,大大提高了立式泵的自振頻率,確保了機組運行的有效性。另外,重要電機泵的泵蓋也安裝在泵體上,二者形成液體流動腔體,共同承載水泵運行壓力。其中泵蓋上還設置有密封腔,并連接有軸承支架,用以支撐轉(zhuǎn)子,一個軸承支架包括兩個軸承腔,泵壓水室的結構為雙蝸殼形式,可以最大程度平衡徑向力。具體的重要水泵電機結構外形圖如圖1、圖2 所示。

圖1 SEC 泵外形圖

圖2 SEC 泵結構圖

2 核電站重要水泵電機振動異常的特征

導致重要水泵電機出現(xiàn)振動的原因是多方面的,為了能夠有針對性地對這些原因加以分析,就需要采取專業(yè)試驗方法對設備進行必要檢驗,尤其是對于剛出場的新設備而言,更應該嚴格進行質(zhì)量檢驗,防止殘次品投入市場。根據(jù)現(xiàn)有文獻資料顯示,核電站重要水泵電機振動異常的特征主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

其一,水泵在大流量工況的時候,運行通常正常,而流量較小的時候反而會存在振動異常問題。實際就某核電站的一臺重要水泵電機進行檢測,發(fā)現(xiàn)其在大流量條件下,設備性能符合要求,運行效率可靠,且噪聲和振動也都在允許范圍內(nèi),但是當小流量運行的時候,其他方面都符合要求,振動狀態(tài)超出標準范圍。在泵機軸承支架的軸承位置進行檢測,得到設備振動速度最大能達到4.0mm/s,與此同時,還測量德大歐泵機入口處管路的振動數(shù)值,為3.5-4.1mm/s,還有電機支座位置的振動數(shù)值,測得為3.0mm/s。可見小流量工況下電機水泵振速更加明顯。其二,泵機在同一工況條件下,如果運行方向不同,其振動值也會表現(xiàn)出一定差異。檢測分析發(fā)現(xiàn),當處于小流量工況狀態(tài)的時候,測量泵軸承是振動數(shù)據(jù),能夠得出,不同圓周方向的振動值各不相同,且測量結果具有重復性。其三,在專業(yè)團隊人員的實驗下還發(fā)現(xiàn),核電站重要電機的振動頻譜同樣具有一定規(guī)律特征:比如頻率與泵的葉頻有關聯(lián)關系,當頻率與葉頻一致的時候,一般就是振動值達到最高的時候,而且泵機系統(tǒng)還會存在和葉頻較為接近的整體模態(tài),容易造成系統(tǒng)共振現(xiàn)象。再比如頻率與軸頻以及其倍頻也存在一定關聯(lián),一般在二倍頻位置頻譜出現(xiàn)峰值的幾率較高。此外,實驗中振動頻譜也會夾雜一些其它頻譜成分,實驗后分析發(fā)現(xiàn),泵機在多頻率狀態(tài)下,產(chǎn)生的結構模態(tài)共振,其峰值對應的頻率,來源比較廣泛,包括蝸殼以及葉輪等。

3 針對核電站重要水泵電機振動問題所采取的處理措施

常見的引起重要水泵電機振動問題的原因比如有驅(qū)動電機軸干涉影響、高速旋轉(zhuǎn)部件過多,導致設備動能不平衡、或者流體作用影響等。有時候還有可能多種原因同時作用,振動情況較為復雜,因此,相關設備檢測維護人員需要從多角度出發(fā),具體情況具體分析,對可能引發(fā)振動異常的原因進行綜合性考量,然后有針對性采取處理措施,具體而言可以從以下幾個方面入手:

3.1 試驗臺架振動處理

振動臺架的振動產(chǎn)生幾率較大,而且一般都和試驗管路一同發(fā)生振動,所以解決問題的時候也需要將二者同時進行處理。具體方法如下:可以在泵腳的支撐位置增加加強筋數(shù)量,并在試試驗管路位置增加固定支撐,以增強管路的剛性性能。同時還可以在出口管路部位增加使用膨脹節(jié),以達到消除泵體所受管道作用的效果?？紤]到試驗管路內(nèi)還有可能因為存在氣體而引發(fā)振動,所以可以在管路最高位置增加放氣閥,同時,又考慮泵入口處流體回流影響,在泵進口管路處可以增加幾塊呈十字型分布的導流板。通過上述一系列措施,能夠改善泵的試驗條件,消除了試驗管路及試驗臺架的振動,泵的振動雖有一定的改善,但仍不滿足要求。在排除了外部試驗條件對泵振動的影響后,需從泵結構查找原因。

3.2 泵結構振動處理

頻譜分析揭示通過改變?nèi)~頻來改善泵振動情況,但改變?nèi)~頻需對泵的葉片數(shù)或者轉(zhuǎn)速進行調(diào)整,不符合實際情況。通過查閱資料,對比同類泵的結構及試驗數(shù)據(jù),并對泵的結構進行分析,認為與同類泵相比,泵軸承體略顯單薄,應加強軸承體剛度,改進泵振動狀況。隨后,對軸承體重新設計,通過增加軸承體的厚度和設置加強筋,增強軸承體剛度,泵在更換軸承體后進行試驗,振動值明顯減小,振動速度下降到2.7mm/s,滿足要求。圖3 所示為軸承體修改前后的對比圖。

圖3 軸承支架對比圖

3.3 制造偏差處理

將振動異常的泵進行解體,對泵轉(zhuǎn)子重新做動平衡試驗,動平衡結果證明滿足要求；檢查泵體密封環(huán)、泵蓋密封環(huán)的間隙,間隙值也符合技術要求,且間隙分布均勻；再對泵體進行檢查,發(fā)現(xiàn)由于鑄造偏差,泵體的隔板端部與隔舌端部不對稱,同時隔板端部延伸至基圓內(nèi),造成葉輪與蝸殼之間間隙減小,隔舌端部的鑄造偏差也造成了隔舌角度變化。為消除泵體鑄造偏差的影響,以泵體基圓為基準,對隔板和隔舌進行修整,使隔板端部與隔舌端部對稱,打磨隔板和隔舌端部,使其光滑過渡,以符合設計要求。修整泵體后,重新裝配進行試驗,在小流量工況下,泵的振動明顯減小。

4 結論

總而言之,重要水泵電機作為核電站的重要設備,其運行狀態(tài)將直接影響核電站的安全性和經(jīng)濟性。根據(jù)上文所述可以總結得出,改善水泵電機振動問題,應考慮最小流量系統(tǒng)合理選型、最小流量閥以及降壓孔板的合理利用、控制泵組性能曲線走勢,應保證斜率要求、泵組設計方面,要充分考慮現(xiàn)場電網(wǎng)頻率實際條件和潛在風險。以上這些經(jīng)驗,日后可以為其它核電項目主給水泵組在設備設計、制造、運行方面提供參考。