凝升泵振動異常原因分析與改進措施研究

李軼 唐吳宇 舒暢

第一作者簡介：李軼（1986－），男，工程師。研究方向為核電設備設計及技術改造。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.034

摘? 要：凝升泵是核電廠設備冷卻水系統的重要設備，巡檢中發現3臺凝升泵振動異常。凝升泵振動異常會影響機組的安全運行，因此需要對其振動異常原因進行分析并提出應對措施。基于振動測試結果，對凝升泵電機、泵體及附屬管線振動特性進行深入分析，并對附屬管線開展CFD計算分析，獲知凝升泵及其附屬管線的振動異常的原因，提出解決凝升泵及其附屬管線振動異常的應對措施，為解決核電廠凝升泵振動異常奠定技術基礎。

關鍵詞：凝升泵；振動；異常原因；CFD；應對措施

中圖分類號：TH3? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0140-04

Abstract： The condensate lift pump is an important equipment in the cooling water system of the nuclear power plant， and the abnormal vibration of three condensate lift pumps was found during the inspection. Abnormal vibration of condensate lift pump will affect the safe operation of the unit， so it is necessary to analyze the causes of abnormal vibration and put forward countermeasures. Based on the vibration test results， the vibration characteristics of the condensate pump motor， pump body and auxiliary pipelines are analyzed deeply， and the CFD calculation and analysis of the auxiliary pipelines are carried out， the causes of the abnormal vibration of the condensate pump and its ancillary pipelines are obtained， and the corresponding countermeasures to solve the abnormal vibration of the condensate pump and its ancillary pipelines are put forward， which lays a technical foundation for solving the abnormal vibration of the condensate pump in the power plant.

Keywords： condensate pump; vibration; abnormal causes; CFD; countermeasure

旋轉機械或管道過大的振動不僅會降低相關設備的性能，同時可能會引發管道振動疲勞[1-2]。秦山核電有限公司320 MW機組常規島凝結水系統布置有3臺凝結水升壓泵（以下簡稱“凝升泵”），巡檢中發現3臺凝升泵及附屬管線振動狀態異常，泵的劇烈振動會對管線的薄弱部位及管線上的設備造成嚴重損傷，嚴重時可能引發設備故障，如閥門不能正常開閉、反饋線斷裂、管線根部焊接位置出現裂紋等缺陷，從而威脅機組的安全穩定運行[3]。為了評估凝升泵及附屬管線的振動并為后續振動治理提供振動分析數據，對凝升泵附屬管線進行了振動及模態測試，并以此為基礎開展系統振動原因分析，找出凝升泵及附屬管線振動異常的原因，提出解決振動異常的應對措施，以確保機組的安全穩定運行。

1? 振動原因分析

由于凝升泵及附屬管線振動異常現象存在時間長，且引起振動原因比較復雜[4]，所以需要開展現場測試以便分析凝升泵及其附屬管線的振動特性[5-6]，并結合熱工水力計算找出造成凝升泵及其附屬管線振動異常原因，為解決凝升泵振動異常提供依據。

1．1? 振動測試原理

采用加速度計測量3臺凝升泵及附屬管線的振動加速度信號。通過信號放大、抗混濾波、A/D轉換后進入測量分析系統，實時顯示各通道的加速度時程曲線，采集并存儲振動信號。在測量完成后，對測量數據進行數字積分、頻譜分析等，可以得到所測設備和管道振動的速度和頻譜等。測量原理如圖1所示。

1.2? 測點布置

凝升泵及電機振動測點布置如圖2所示。3臺凝升泵共布置32個測點，其中每臺泵體上布置2個測點，每臺電機上布置2個測點，每臺泵體基座布置2個測點，每臺電機基座布置2個測點。

凝升泵附屬管線振動布置測點19個。結合現場管道系統分布特征，將凝升泵附屬管線分為多個區域，即：入口母管（A1、A2、A3）、凝升泵入口管（A4、A5、A6）、凝升泵出口管（A7—A12）、出口母管（A13、A14、A15）、出口母管第一支管（A16）、出口母管第二支管（A19）及出口母管第三支管（A17、A18）。如圖3所示。

圖1? 振動測量原理圖

圖2? 凝升泵振動測點布置圖

圖3? 附屬管線振動測點布置圖

1.3? 測量結果分析

技術人員現場測量了3臺凝升泵不同分組運行條件下泵及附屬管線的振動特性，并對數據展開了分析。

1.3.1? 凝升泵電機振動測試結果分析

依據國家相關標準，該型凝升泵振動強度限值為2.8 mm/s。電機振動測試結果為A泵電機振動強度2.2 mm/s，B泵電機振動強度3.8 mm/s，C泵電機振動強度1.1 mm/s。B泵電機振動超過了強度限值，A泵電機振動接近強度限值。同時，對電機振動貢獻最大的是50 Hz及100 Hz附近頻率響應，分別對應電源頻率與2倍電源頻率。因此電機振動過大的主要原因是電機轉子與定子不同心引起。B泵電機軸承位置典型的速度頻譜如圖4所示。

圖4? B泵電機測點A29 Z方向速度頻譜圖

1.3.2? 凝升泵體振動測試結果分析

按照核電廠相關技術文件要求，凝升泵振動限值為：報警值小于等于5.6 mm/s，停機值小于等于11.2 mm/s。測試結果表明，A泵體振動烈度3.3 mm/s，B泵體振動烈度4.8 mm/s，C泵體振動烈度19.2 mm/s。C泵體振動已超過了停機值，B泵體振動接近報警值。

泵體振動響應呈現明顯的線譜效應，其中最為突出的是200 Hz附近頻率的響應，是造成泵體振動過大的最主要貢獻量。200 Hz對應于凝升泵葉片通過頻率，通常是由葉片通過泵體出入口時造成的流體脈動壓力引起的，過大的脈動壓力說明泵殼、葉片等部件水力特性存在問題。如圖5所示。

圖5? A泵體測點A24 Y方向速度頻譜圖

綜合上述分析，作為振源本身的凝升泵電機及泵體本身存在較大問題。

1.3.3? 凝升泵附屬管線振動測試結果分析

按照國家標準規定，管線許用速度峰值Vallow的表達式為

式中：C1表示補償管道特征跨上集中質量影響修正系數。C2K2表示ASME規范中定義應力系數。C3表示管內介質和保溫層質量修正系數，C4表示不同端和結構型式修正系數。C5表示強迫振動修正系數。Sel=0.8SA，SA是ASME鍋爐和壓力容器規范的交變應力。

測試結果表明，凝升泵附屬管線C#進口管A6測點最大速度峰值達92.2 mm/s，出口管A12測點最大速度峰值達64.7 mm/s，均超過了許用速度峰值，振動極其劇烈。

管線振動頻率主要為中低頻振動。其中，4、7、11、19和24 Hz是凝升泵出口管線自身振動；50 Hz是凝升泵軸頻，100 Hz為50 Hz的2倍頻；199 Hz是凝升泵的葉輪通過頻率，400 Hz是200 Hz的2倍頻。因此，對于入口管線，管線振動原因是凝升泵的振動傳遞；對于出口管線，管線振動原因是凝升泵的振動傳遞和管線自身振動，且管線自身振動與泵傳遞的振動相比不明顯。

1.3.4? 熱工水力影響分析

如果凝結水系統管道發生氣蝕，也會引起管道振動，因此，針對凝結水管道開展熱工水力CFD數值計算，判斷管道中是否發生氣蝕從而引起管線振動[7]。2臺凝升泵正常并聯運行時，凝升泵出口壓力約為2.2 MPa，凝升泵入口壓力約0.7 MPa，在運行溫度為40 °C時，管道中產生氣蝕的壓力約為3.5 kPa。凝升泵進口管線網格如圖6所示。凝升泵出口管線網格如圖7所示。

圖6? 凝升泵入口管道網格

由計算結果可知，凝升泵入口管道的壓力最小值位于母管至A泵入口段，為0.69 MPa。凝升泵出口管道流場不均勻，壓力最低點在止回閥和截止閥后端，為2.18 MPa，進出口壓力均遠高于氣蝕發生壓力。因此，凝升泵附屬管線不會發生氣蝕，說明管線振動不是由水力現象引起的，如圖8和圖9所示。

圖7? 凝升泵出口管道網格

圖8? 凝升泵入口管道壓力分布圖

圖9? 凝升泵出口壓力分布圖

2? 改進措施

2.1? 凝升泵改進設計

目前，凝升泵為3臺雙吸泵NS250/200，正常運行為A泵和B泵并聯運行。其流量Q為748 m3/h，揚程H為130 m，汽蝕余量為10 m，效率為80%，采用四葉片水力模型。泵電機為湘潭電機廠生產的JK-154-2型，電機功率400 kW，額定電壓為6 kV，額定頻率50 Hz。

根據振動原因分析，3臺凝升泵振動異常，其中C泵振動達到了停機值，為了機組的安全運行，需要將3臺凝升泵整體更換為重新設計的新型凝升泵。

2.1.1? 性能參數

性能參數使用原設計參數，以滿足機組安全平穩運行，即流量Q為748 m3/h，揚程H為130 m，汽蝕余量為10 m，效率為80%。

2.1.2? 新型水力模型

原型凝升泵NS250/200的葉輪葉片數4枚，泵體為雙渦殼結構。這種雙渦殼泵體搭配偶數葉片的葉輪，偶數片葉片設計并形成對稱的排列方式，不但使得葉輪自身的平衡性難以調整，而且容易使葉輪在高速運轉時產生更多的振動。泵水力部件中，葉片數對泵的揚程、效率、氣蝕性能有一定影響，通常認為離心泵的葉片數Z與轉速比ns密切相關，ns越小，為避免葉片單位面積上的負荷過大，Z值應越大[8]。由于凝升泵為雙吸泵，根據設計參數可知，其比轉速

式中：n為泵的轉速，r/min。由式（2）可知，其比轉速為91 r/min，為中比轉速離心雙吸泵。在本次改進（設計）中，葉片數選擇Z=5。

2.1.3? 新型電機

由于原電機JK-154-2型老式電機已不再生產，需重新選型。為有效降低振動，電機轉速降為1 480 r/min。凝升泵軸功率Pa

式中：ρ為介質密度，kg/m3，g為重力加速度，kg·m2/s。

根據凝升泵性能參數，凝升泵軸功率Pa為327 kW，電機功率選擇400 kW即可。在本次改進（設計）中，選用的電機參數為Y3556-2/400 kW/6 kV，防護等級為IP44，絕緣等級為F級，電機轉速為1 480 r/min。

2.2? 進出口管線改進設計

根據CFD熱工水力計算，由于設計不盡合理，凝升泵進出口管道存在流場不均勻，產生不同強度的漩渦，通過現場勘察和熱工水力計算，將凝升泵入口管道進行改進設計。改進前凝升泵入口母管內的流體介質經過母管與凝升泵入口管道三通向上流動，通過90°彎頭后經過閘閥和大小頭，再經過90°彎頭進入凝升泵。這樣的結構導致三通處形成較大的漩渦，導致壓力波動進而傳遞到凝升泵入口。因此，改進設計改變凝升泵入口管道方向，從而減弱形成的漩渦，有助于凝升泵入口流動的穩定。

3? 結束語

本文針對秦山核電廠凝升泵及其附屬管線振動異常現象展開了研究，現場測試了凝升泵及其附屬管線的振動特性，并對測試結果進行了原因分析。基于原因分析，提出了解決凝升泵及其附屬管線振動異常問題的應對措施，徹底解決了困擾秦山核電廠凝升泵及其附屬管線振動異常問題。

參考文獻：

[1] 張義民.機械振動學[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2] 楊建剛.旋轉機械振動分析與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 李鑫，劉天彥，林松，等.輔助系統管道振動控制與試驗研究[J].核動力工程，2006，37（2）（增刊）：89-91.

[4] 茆秋華，歐陽欽，周正平，等.田灣核電站旋轉機械振動管理[J].能源技術與管理，2014，39（2）：122-124.

[5] 梁興，劉梅清，劉志勇，等.立式混流泵異常振動測試分析[J].排灌機械工程學報，2013，31（5）：373-378.

[6] 胡士華，張曉嬋，劉方磊，等.旋轉機械振動測試及分析[J].山西財經大學學報，2013，35（S1）：178.

[7] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[8] 關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社，1995.