核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端的振動問題分析

宋美鵬， 焉滿堂

（山西源慧人力資源服務有限公司， 遼寧 大連 116300）

0 引言

某核電站CRF001 循環水泵在大修處理后，其1 號機組的2 臺循環水泵電機出現異常振動情況。常用的振動檢驗方法為經驗分析法，此種方法存在較強主觀性，對于檢修人員經驗能力要求較高。基于某核電站CRF001 循環水泵電機異常振動情況，采用模態仿真模擬方法進行分析，提出非驅動端加固方案，對問題進行有效解決。

1 核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端模態仿真分析

根據核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端基本結構，通過Pro/E 三維模型軟件構建基本結構三維幾何模型，并對模型中倒角、圓孔、螺絲等結構性能影響較小的細微結構進行適當省略，虛擬裝配層循環水泵電動非驅動端三維幾何模型后，將模型導入到Hypermesh 軟件中，為模型實施網格劃分，并配置材料屬性。具體材料采用316L 不銹鋼材料，此種材料的彈性模量、泊松比以及密度分別為196 MPa、0.3、7 980 kg/m3。將循環水泵電機非驅動端三維幾何模型導入到LMS 軟件中，再將Hypermesh 軟件中構建的網格劃分模型替換LMS 軟件中現有的三維幾何剛性體模型，進而形成循環水泵電機非驅動端剛柔耦合模型（見圖1）[1]。

圖1 循環水泵電機非驅動端剛柔耦合模型

通過KMS 軟件中的Nastran 模塊對循環水泵電機非驅動端剛柔耦合模型進行模態分析計算，進而獲取到循環前六階固有振動頻率分別為57.529 Hz、61.067Hz、98.535Hz、237.622Hz、347.120Hz、355.473Hz。

2 核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端加固方案

根據實際情況來看，核電站CRF001 循環水泵電機的實際運行頻率約為60 Hz，此運行頻率與循環水泵電機非驅動端第一階固有模態和第二階固有模態對應的振動頻率較為接近，在實際運行過程中極易出現同頻率共振，進而引發循環水泵電機非驅動端振動問題。

想要有效解決此問題，就需要盡可能避免非驅動端和電機運行頻率之間產生同頻率共振情況，即采用一定措施改變非驅動端低階固有頻率。綜合分析后，確認循環水泵電機非驅動端加固方案為在非驅動端加設梁柱加強筋，煤柱加強筋均有2 根1.5 m 的14號槽鋼、1 塊圓弧鋼板以及2 塊平面鋼板之間共同組成。2 根槽鋼的一端與圓弧鋼板相連，所形成的夾角為16.5°，另一端則與平面鋼板相連，并通過墻壁進行有效固定。兩組加強筋以對稱式分布，主要用于加固循環水泵電機非驅動端。

通過KMS 軟件中的Nastran 模塊對加固后的循環水泵電機非驅動端剛柔耦合模型進行模態分析計算，進而獲取到循環前六階固有振動頻率分別為135.970 Hz、150.036 Hz、331.196 Hz、572.125 Hz、657.093 Hz、779.371 Hz。通過模態分析可知，加固后的非驅動端低階模態固有頻率與電機運行頻率差異較大，可一定程度上避免同頻率共振問題[2]。

3 核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端有限元仿真分析

在實施核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端加固以后，為保障非驅動端的正常穩定運行，還需要對其各結構將進行綜合性能分析，具體分析采用有限元仿真法進行。

3.1 支架

由于循環水泵電機非驅動端支架數量較多，并且整體結構呈現出對稱結構，所以實際研究中僅對一側的三個支架進行有限元仿真分析，進而獲取仿真分析結果如圖2 所示。

圖2 非驅動端支架1 應力（Pa）分布云圖

通過仿真分析可知，循環水泵電機非驅動端支架1、支架2 以及支架4 所承受的最大應力分別為798MPa、88.5 MPa、81.2 MPa，對應的最大應力區域分別為支架1 中上部區域、支架2 中下部區域以及支架4 左上部區域。而支架所采用的材料為316L，此種材料的許用應力和抗拉強度分別為117 MPa 和620 MPa，可確認支架強度符合要求[3-4]。

3.2 軸承

循環水泵電機非驅動端軸承主要分為上端軸承和下端軸承兩部分，具體仿真分析結果如圖3 所示。

圖3 上端軸承應力（Pa）分布云圖

通過仿真分析可知，循環水泵電機上端軸承所承受的最大應力為133 MPa，對應的最大應力區域為上端軸承內環邊緣區域；循環水泵電機下端軸承所承受的最大應力為161 MPa，對應的最大應力區域為下端軸承內環邊緣區域，而軸承所采用的材料為SKF 軸承鋼，此種材料的許用應力和抗拉強度分別為212.5MPa和861 MPa，可確認軸承強度符合要求。

3.3 加強筋組件

如上所述，加強筋組件主要用于加固循環水泵電機非驅動端，目的為減少電機設備振動，避免非驅動端與電機運行過程中產生同頻率共振。通過有限元分析法進行仿真分析，獲取到圖4 中的仿真分析結果。

圖4 加強筋組件應力分布云圖

循環水泵電機非驅動端加固主要采用2 組加強筋組件，其中加強筋組件1 所承受的最大應力為52.8MPa，最大應力區域處于槽鋼與圓弧鋼板相接區域槽鋼上部位置；加強筋組件2 所承受的最大應力為52.8 MPa，最大應力區域處于槽鋼與圓弧鋼板相接區域槽鋼上部位置，而加強筋所采用的材料為14 號槽鋼，此種材料的許用應力和抗拉強度分別為92.5 MPa 和380 MPa，可確認加強筋組件強度符合要求。

總體來說，加固后核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端各關鍵結構件綜合強度均符合要求。

4 電機非驅動端加固方案的工程應用

通過模態分析和有限元仿真分析可知，通過加強筋組件加固后的核電站CRF001 循環水泵電機非驅動端可滿足減振要求的同時，還能夠保障結構整體強度性能，具有一定的應用可行性。但考慮到仿真分析過程中較為理想化，而核電站CRF001 循環水泵電機實際工作條件較為復雜，可能會出現各種因突發事件所導致的運行問題。因此，在實際研究中，應進一步確認電機非驅動端加固方案的應用成效[5]。

根據電機非驅動端加固方案對核電站CRF001循環水泵電機非驅動端結構進行改進優化，并采用專業的智能傳感器設備實施數據采集，并以采集數據為基礎，對電機非驅動端進行性能分析和使用壽命預估。在應用加固方案前，電機非驅動端軸承最大振幅為70.3 μm，垂直方向最大振幅為180.3 μm，而廠家預定標準為55 μm，確認已嚴重超標。加固后，電機非驅動端軸承最大振幅為40.1 μm，垂直方向最大振幅為46.3 μm，整體振幅控制效果極為顯著，證明電機非驅動端加固方案具有較強可行性和應用價值。

5 結語

以某核電站CRF001 循環水泵電機為研究對象，通過模態分析方法提出非驅動端加固方案。為驗證此加固方案的可行性和應用價值，分別采用模態分析法、有限元仿真分析法和工程應用法進行分析檢驗，進而發現加固方案可有效提高電機非驅動端低階模態振動頻率，保障非驅動端各結構性能處于標準要求內，并有效控制電機非驅動端振幅。因此，確認電機非驅動端加固方案具有較強應用價值，可在后續其他循環水泵電機振動問題解決優化時進行參考應用。