基于頻譜分析的某核電廠設備冷卻水泵振動高的治理

朱鈴峰

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

0 引言

某核電廠設備冷卻水系統是一個閉式回路的冷卻水換熱系統，該系統在電廠正常運行各個階段將核島和常規島設備運行發熱、堆芯衰變熱、反應堆冷卻劑系統的顯熱傳遞給廠用水系統并最終將熱量傳遞給海水[1]。其中設備冷卻水泵在提供介質間換熱動力、維持系統介質穩定運行等方面起到了重要作用[2]。該核電廠設備冷卻水泵采用臥式單級雙吸離心泵，設計流量為3 000 m3/h，額定轉速為1 485 r/min（24.75 r/s）[3]。在電站功率運行階段，某次定期試驗時發現泵體驅動端垂直方向存在異常高頻振動，經手持式測振儀測量最大振動數值在8～10 mm/s波動，而利用頻譜儀測量振動值波動范圍很大，其中最大值達到了21 mm/s左右，泵自由端垂直方向振動為5.0 mm/s，其余方向振動處于合格范圍內（小于3.6 mm/s）。

導致離心泵振動異常的原因有很多種，如轉子動靜不平衡、軸系不對中、結構共振、軸承破損等問題。文獻[4]指出轉動機械振動檢測和故障診斷也有多種方法，如基于振動頻譜分析、基于潤滑油的光譜和鐵譜分析、基于噪聲分析等。本文結合該核電廠實際的現場條件采取基于測量的振動頻譜圖分析的方法，探查了該設備冷卻水泵振動高缺陷產生的原因，并根據可能的原因對泵進行了解體檢修、原因排查及振動治理。

1 振動高原因分析及解體治理

因泵驅動端垂直方向（P1V）振動異常，分析該測點頻譜圖如圖1和圖2所示，存在1倍頻（轉頻）、2倍頻、6倍頻（葉片通過頻率）和高倍頻，其中1倍頻（轉頻）、6倍頻（葉片通過頻率）和高倍頻占主要成分。

圖2 治理前振動頻譜圖（高頻）

1.1 對于高倍頻的治理

由圖2可知出現了頻率為759Hz、大小約為1.5 mm/s的高倍頻，高倍頻的出現一般和軸承的問題有關，且現場查看時驅動端軸承運行時有異音。解體檢查后發現驅動端軸承外圈內側存在缺陷如圖3所示：在驅動端軸承外圈底部，可見明顯磨痕，每個磨痕相互獨立，無明顯的沿圓周方向的磨損痕跡，磨痕區域總寬度約占整個軸承圓周的1/4，軸承上部無明顯凹痕。從痕跡分析，軸承可能出現了微動磨損。更換新軸承后高頻振動由原先的1.5 mm/s降低為0.1 mm/s。

圖3 舊軸承圖片

1.2 對于1倍頻的治理

1倍頻（轉頻）激振多為轉子動不平衡力引起的，對拆卸下的轉子加上聯軸器進行動平衡試驗后發現葉輪兩面的動不平衡量都超過了200 g，而利用如下公式計算得到該轉子的許用不平衡量為7.5 g。

式中：e為偏心距；G為平衡精度；n為轉子的轉速；T為最大許用不平衡量；W為角速度；R為校正半徑。

針對動平衡機試驗的結果，經過對應角度的葉片打磨去重等轉子動平衡治理工作后，轉子兩個去重面的許用不平衡量如圖4所示都不超過7.5 g，泵解體后試驗運行時1倍頻如圖5所示從原先的1.9 mm/s降到了0.1 mm/s。

圖4 轉子動平衡治理前后對比

圖5 解體檢修運行時的振動頻譜圖

1.3 對于6倍頻的治理

6倍頻激振力為介質通過葉輪時產生的沖擊力（振動頻率=工作頻率×葉片個數）。就振動性質而言，屬于流道突變導致介質壓力脈動而產生流體激振，該激振力與流體參數（流量、壓力和溫度）、流道（蝸室流道、葉輪與隔舌間隙）、葉片形式和數量息息相關。就設備冷卻水泵而言，一般通過更換葉輪或加強泵基座剛度等手段來解決。在泵的解體檢修時發現泵兩側軸承箱的定位銷一端是松動的，導致軸承箱剛度不足，完全敲入定位銷后轉子與泵蓋之間有剮蹭，無法用手進行盤動。對兩側軸承箱重新定位且重新鉸孔打入新的軸承箱定位銷后，解體檢修前6倍頻（葉片轉動頻率）2.4 mm/s的振動降低到了修后的1.9 mm/s。但由于沒有整體上增加軸承室的剛度，后續連續運行時測量的振動值如圖5所示又緩慢上漲到2.4 mm/s左右，該頻率的振動沒有得到很好的治理。

2 振動根本原因分析及后續建議

2.1 振動根本原因分析

該型設備冷卻水泵在定期試驗過程中振動高的根本原因為驅動端軸承微動磨損[5]。該臺設備冷卻水泵由于長期置于備用狀態，日常期間只做定期試驗，軸承外圈的下半部分承受了整個轉子全部約240 kg左右的質量，同時現場該臺設備冷卻水泵驅動端距離另一臺泵較近，另一臺設備冷卻水泵在長時段的運行期間對該臺泵產生了振動影響，現場測量驅動端附近樓板振動數值為1.6 mm/s左右，使得該臺泵的轉子和軸承室等靜止部件產生了一個輕微的上下運動，長時間微量的上下運動最終導致軸承外圈下半部分損傷。

2.2 后續的治理建議

由于目前兩臺泵之間互相影響的微動磨損并未消除，為減小該磨損對兩臺泵軸承的運行影響，綜合現場的具體情況，可以采取以下較為有效且實施可能性高的減緩措施：

1）改變現場兩臺泵的運行方式：從一臺長期備用改為兩臺定期切換運行[6]，切換的頻率即單臺運行的時間需要根據現場實踐來不斷摸索確定。

2）現場通過挖出隔振溝或整體增加基礎剛度來減小運行列傳遞到備用設備的振動。

3）在該臺設備冷卻水泵兩端的軸承箱部位增加調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper），該技術是一種被動的振動控制技術，減振效果明顯，施工簡單，目前主要應用在高層建筑、大型橋梁、海洋平臺等工程領域[7]。它是主要由質量塊、阻尼器和彈簧組成的裝置，原理為將調諧質量阻尼器作為子系統安裝在主結構振動較為明顯的部分，通過子系統的被動諧振將主結構上的振動能量轉移到作為子系統的阻尼器上，之后由阻尼器上的阻尼材料來耗散整個系統的振動能量，進而達到抑制振動的目的。其實施的粗略過程如下：首先需要采集現場各相關部位的振動數據并進行分析，再通過有限元法進行模態分析和仿真，根據分析和仿真結果設計和制造調諧質量阻尼器，最后安裝至現場進行精調，最終達到抑制振動的目的。該技術目前在轉動設備上應用案例較少，故需要不斷試驗，才能達到預期的減振效果。

現場解體檢修后泵連續運行時，最大振動頻率為6倍頻（葉片的通過頻率），為進一步降低該類型振動，采取以下減緩措施：

1）通過不斷調整系統流量、實時監測泵的運行振動數據來確定在符合流量要求下泵運行階段的最低振動。

2）在下次解體檢修時通過更換葉輪、增加支撐來增加軸承箱剛度，改變振動幅值，但支撐的具體形式和位置需要不斷試驗。

3 結束語

本文通過分析某電廠設備冷卻水泵振動高的頻譜圖，得出可能產生振動的原因，針對可能的原因進行了設備冷卻水泵的解體檢修，通過更換軸承、調整轉子定位、葉輪不平衡量的處理等方法，消除了泵運行時的高倍頻和1倍頻，降低了泵的葉片通過頻率。根據檢修過程中發現的現象進一步分析產生振動的根本原因，并結合后續連續運行時測得的振動頻譜圖給出了調整運行方式、更換葉輪、增加基礎剛度、安裝調諧質量阻尼器等進一步降低泵組振動的可行策略，為以后相同類型泵的振動缺陷治理提供了參考范本和治理手段。