核電廠長軸液下泵電機振動處理

陳子萌，劉 偉

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

立式長軸液下泵具有節省空間和便于管道布置的特點，在核電廠應用廣泛。但因其軸系長、重心較高和機座尺寸小，容易引發泵組振動故障。某核電廠廢水池排污泵電機振動超標(振動速度最大為9.4 mm/s，運行限值為4.5 mm/s)，嚴重影響運行可靠性。電廠維修人員對泵組進行了解體檢查，未發現泵組本體缺陷，重新安裝后振動依然超標。為查明故障原因，在核電現場進行泵組振動測試和故障診斷。

1 振動現象

1.1 設備介紹

某核電廠常規島含油廢水池配備兩臺長軸液下泵，兩臺泵間歇運行，負責將汽輪機廠房地坑廢水排送至廢水處理系統，輸送介質為含油廢水。泵型號為FY80-200，額定轉速為2 945 r/min，揚程為35 m，功率為22 kW，流量為130 t/h。泵組整體安裝于廢水池上方兩根C22型槽鋼基礎上，通過底板螺栓與槽鋼相連，電機和泵采用彈性套柱銷聯軸器撓性連接。泵組結構及振動測點見圖1。

圖1 泵組結構及振動測點示意圖Fig.1 Pump group structure and vibration measurement point diagram1—電機上軸承測點；2—電機下軸承測點；3—泵軸承測點

1.2 振動測量

兩臺排污泵自安裝調試以來電機帶載振動超標，空載試轉合格。對泵和電機進行解體檢查未發現異常缺陷，泵體水力部件和軸承狀況良好，排除汽蝕、葉片磨損和導軸承間隙超差等故障。在排除設備安裝和檢修質量問題后，對泵組進行了振動測試和頻譜分析，測量電機上部軸承振動速度最大為9.4 mm/s，遠超過運行限值。電機上部軸承南北方向(X方向)和東西方向(Y方向)振動相位差為180°。泵組振動測量值見表1，電機上部軸承振動頻譜見圖2。

表1 泵組振動測量值Table 1 Vibration measurement of pump group

圖2 電機上軸承橫向振動頻譜圖Fig.2 Transverse vibration spectrum diagram of motor upper bearing

2 振動分析

2.1 振動特點分析

根據現場測量的振動數據分析泵組振動現象，振動特點主要表現為電機上部振動超標，從上往下振動烈度逐漸減小，泵側振動未超過限值。由頻譜分析可知，電機振動主要以1倍頻為主，無其他故障頻率，屬于普通強迫振動[1]。對于普通強迫振動而言，部件呈現的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與其動剛度成反比[2]：

A=F/K

(1)

式中，A為振幅；F為激振力；K為部件動剛度。

K=k/β

(2)

(3)

(4)

式中，k為部件靜剛度；β為動力放大因子；ω為激振力頻率；ξ為相對阻尼系數；ωn為支撐系統自振頻率，m為參振質量[3]。

引起轉動設備普通強迫振動故障的主要因素有：1)激振力大；2)支撐動剛度低。肯定和排除其中一個因素，是故障診斷的第一步。

2.2 異常激振力排查

在轉動設備中，1倍頻振動故障是最容易發生的，大部分情況下與轉子動平衡、軸彎曲、結構松動或動靜摩擦相關[4]。而立式電機普通強迫振動異常激振力的來源主要是轉子不平衡和軸系不對中等影響因素。

查詢設備出廠質量驗收報告，轉子已經做過動平衡校正，殘余不平衡量很小，滿足標準要求。同時電機上部軸承X方向和Y方向振動相位相差180°，不符合轉子不平衡的振動特征，可以排除不平衡故障影響；檢查電機與泵聯軸器中心偏差小于0.05 mm，符合撓性聯軸器對中標準。泵組振動頻譜中沒有明顯的不對中故障頻率，可以排除軸系不對中產生異常激振力的可能。

2.3 支撐動剛度檢查

立式長軸液下泵因為軸系設計和安裝特點，通常支撐在環形基礎臺板上。又因其重心較高、基座尺寸小，會導致基座和支架剛度偏弱，結構固有頻率低，容易引起橫向振動和結構共振[5]。

測量泵組各部件之間的振動差值，電機、泵支架和泵底板法蘭連接處的振動差值小于0.5 mm/s，未發現明顯差別振動，設備不存在連接松動和連接剛度不足故障。檢查泵組基礎安裝情況發現兩處設計安裝問題：1)基礎槽鋼兩端直接放置在混凝土地面上，底部與預埋件焊接固定，沒有進行土建預埋和二次灌漿；2)基礎槽鋼構成的簡支梁懸臂段跨距較長，在中間位置缺少有效支撐，不符合設計規范。

進一步測量基礎槽鋼振動，測量槽鋼中間段振動達到5.5 mm/s，遠超過槽鋼兩端和泵底板振動值，判斷泵組基礎剛度存在不足。同時，針對電機上部振動異常放大現象，采用錘擊法[6]測量電機固有頻率，排查結構共振的影響。錘擊測得電機固有頻率50 Hz。

電機橫向固有頻率為50 Hz，泵組轉速頻率為49.08 Hz，兩者頻率接近，運行期間會造成電機結構共振。當激振力與系統結構件自身的固有頻率相近，結構件振動狀態會表現得非常敏感，較小的激振力會引發大的振動波動，產生明顯整體響應，造成振動嚴重超標。

2.4 振動驗證

由式(4)可知，如果要避開共振，可以改變系統剛度或參振質量來調整系統固有頻率。現場設備參振質量往往難以調整，采用改變系統剛度的方法驗證共振的影響。為了進一步驗證振動分析結果，對泵組進行了臨時支撐和松緊螺栓兩項振動試驗，測試結果如下。

在電機與墻壁，基礎槽鋼與墻壁之間分別敲入尺寸合適的方木，增加水平方向臨時支撐，提高泵組支撐剛度。安裝支撐后啟機試驗，測量電機振動速度值由9.4 mm/s下降至7.1 mm/s，振動有明顯改善。

泵組運行期間，安排檢修人員手動調整電機地腳螺栓緊固力矩，通過降低連接剛度的方法改變電機固有頻率，使其避開共振頻率。在減小相鄰兩顆電機地腳螺栓力矩后，電機基頻振動幅值下降明顯。

由上述振動分析和實驗測試可知，泵組電機振動超標的根本原因是基礎剛度不足引發的電機結構共振。

3 振動處理

3.1 共振處理

共振對振動影響較大，消除共振是振動處理的關鍵。振動是系統在外部激勵下的整體響應，不僅與激振力的性質，激勵頻率和幅值等有關，也與系統結構件的質量、彈性剛度、阻尼等自身固有特性有關。處理共振常用的治理措施有改變結構固有頻率和減小激振力兩種方法。因電機橫向固有頻率和轉頻相近，造成結構共振，現場選取改變結構固有頻率的方法進行消振。改變系統結構件自身的固有特性，使其固有頻率避開共振，可以顯著改善振動狀況。

項目改造從經濟效益和工程實施便捷性的角度考慮，會選定對系統固有頻率影響最大的結構件進行優化，來改變系統固有頻率[7]。由于核電廠房土建施工已完成，在廢水池上方人員施工作業難度大，現場不具備重新設計和安裝設備基礎的條件。因此，結合泵組安裝環境和結構特點，選定基礎槽鋼作為優化對象，通過增加橫向支撐來提高設備整體支撐剛度。

3.2 加強系統剛度

選定基礎槽鋼中間懸臂段進行加固，在基礎剛度最薄弱的位置增加支撐。利用廠房墻體預埋件作為焊接錨點，在基礎槽鋼與墻體之間，以及兩根槽鋼之間焊接鋼結構橫向支撐件，通過增加橫向支點的方式來提高泵組整體支撐剛度。基礎改造方案見圖3。

圖3 基礎改造簡圖Fig.3 Basic reconstruction sketch1，2—基礎槽鋼加固件；3，4—槽鋼與墻體支撐件

3.3 效果驗證

設備基礎改造完成后，對電機進行錘擊測量，測得電機固有頻率由50 Hz提升至59 Hz，已避開泵組轉速頻率。啟機驗證結果，電機振動最大3.5 mm/s，降至合格水平，滿足長期運行要求。處理后泵組振動測量值見表2。

表2 泵組振動測量值Table 2 Vibration measurement of pump group

4 結論

立式長軸泵發生振動問題后，在工程現場難以有效規范處理，可以利用振動測試和頻譜分析查找故障根本原因，再通過加強弱支撐、在線動平衡和調整地腳墊片等非標準性措施進行消振。

本文以國內某核電廠的長軸液下泵為研究對象，針對立式長軸泵常見的橫向振動和結構共振故障，采用改造基礎結構，提升支撐剛度的方法，使設備固有頻率避開激振頻率，最終消除結構共振，解決了長期影響設備可靠運行的工程難題。