周 念

（中廣核工程有限公司 廣東深圳）

反應(yīng)堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，其主要功能是使冷卻劑循環(huán)流動(dòng)，導(dǎo)出堆芯熱量從而冷卻堆芯[1]。該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)核電站的安全以及經(jīng)濟(jì)效益有著極其重要的影響。

某核電站在機(jī)組調(diào)試以及維修期間[2]，發(fā)現(xiàn)有兩臺(tái)主泵在啟動(dòng)過程中振動(dòng)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在到達(dá)熱停平臺(tái)后振動(dòng)位移值分別高達(dá)175 μm和219.5 μm。通過對(duì)振動(dòng)故障的診斷與分析，并進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，有效地改善了兩臺(tái)主泵的振動(dòng)狀態(tài)，保證了主泵的安全運(yùn)行。

一、反應(yīng)堆冷卻劑泵和臨時(shí)診斷測(cè)量裝置簡介

1.反應(yīng)堆冷卻劑泵

該核電站兩臺(tái)機(jī)組均采用CPR1000型反應(yīng)堆，每臺(tái)機(jī)組分別包含3個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路各有1臺(tái)主泵，用于驅(qū)動(dòng)冷卻劑在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。兩臺(tái)機(jī)組的主泵皆選用立式、電動(dòng)、單級(jí)離心泵，額定轉(zhuǎn)數(shù)均為1485 r/min，電機(jī)軸承采用油潤滑，定子繞組采用水冷卻，葉輪為7枚扭曲葉片的整體鑄件。為了監(jiān)視主泵的運(yùn)行狀況，每臺(tái)主泵均安裝有在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.臨時(shí)診斷測(cè)量裝置

在機(jī)組調(diào)試以及維修期間發(fā)現(xiàn)其中兩臺(tái)主泵發(fā)生振動(dòng)異常，然而上述在線監(jiān)測(cè)裝置不能系統(tǒng)反映振動(dòng)的波形、頻率、相位以及軸心軌跡等參數(shù)，無法對(duì)泵的振動(dòng)進(jìn)行深入分析，不利于解決泵的振動(dòng)問題，因而需要安裝臨時(shí)診斷測(cè)量裝置，對(duì)泵的振動(dòng)進(jìn)行全面、科學(xué)的診斷分析。該裝置由振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀和6個(gè)振動(dòng)傳感器等部件組成，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置如 圖1所示。采集點(diǎn)①處兩個(gè)振動(dòng)速度傳感器互成90°安裝在主泵電機(jī)上軸承平面上，采集點(diǎn)②處兩個(gè)振動(dòng)速度傳感器采用同樣的方法安裝在電機(jī)下軸承平面上，采集點(diǎn)③處兩個(gè)振動(dòng)移位傳感器互成90°安裝在電機(jī)與泵聯(lián)軸器平面上。此外，在聯(lián)軸器上貼有反光紙作為鍵相零位，同時(shí)利用激光轉(zhuǎn)速儀采集相位信號(hào)。

二、振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量以及故障診斷

1.振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量

圖1 主泵振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置示意圖

1號(hào)主泵在調(diào)試期間振動(dòng)出現(xiàn)異常，在冷態(tài)下啟動(dòng)主泵時(shí)振動(dòng)較大，其軸位移達(dá)到140 μm左右；隨著機(jī)組的上行升溫升壓，振動(dòng)數(shù)值持續(xù)增大，當(dāng)一回路達(dá)到熱停平臺(tái)時(shí)，振動(dòng)數(shù)值到達(dá)175 μm左右，且在每次啟停主泵時(shí)振動(dòng)都有增大的趨勢(shì)。

2號(hào)主泵在維修后啟動(dòng)主泵時(shí)，其軸位移達(dá)到190 μm左右；隨著機(jī)組的上行振動(dòng)數(shù)值持續(xù)增大，當(dāng)一回路達(dá)到熱停平臺(tái)時(shí)，振動(dòng)數(shù)值到達(dá)219.5 μm左右。

2.振動(dòng)故障診斷

引起主泵振動(dòng)的原因有很多，如支撐座剛度不足、聯(lián)軸器缺陷、動(dòng)靜部件摩擦、轉(zhuǎn)子熱變形、轉(zhuǎn)子不平衡等。每一種原因?qū)е碌墓收隙加衅涓髯蕴卣?，而相同的振?dòng)特征可能是由不同的振動(dòng)原因引起，只有正確分析導(dǎo)致泵振動(dòng)的原因，對(duì)癥下藥，才能解決泵的振動(dòng)問題，保證泵的安全、可靠運(yùn)行[3]。

圖2 主泵振動(dòng)頻譜圖

通過臨時(shí)測(cè)量裝置采集泵的初始振動(dòng)參數(shù)可有效定位引起泵振動(dòng)的原因，由測(cè)量裝置測(cè)得的兩臺(tái)主泵的頻譜圖如圖2。

由圖2可見，兩臺(tái)主泵的振動(dòng)主頻率均為25 Hz左右，而泵的額定轉(zhuǎn)數(shù)均為1 485 r/min，振動(dòng)的主頻為與轉(zhuǎn)速同步的工頻分量。由此可知，引起該主泵振動(dòng)的原因可能是轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子熱變形、動(dòng)靜摩擦、支撐座剛度不足等。

對(duì)繪制的軸心軌跡圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主泵的軸心軌跡均為橢圓形，沒有出現(xiàn)“8”字形或“香蕉”形波形，且曲線較為光滑沒有明顯毛刺，整個(gè)軌跡圖為正進(jìn)動(dòng)狀態(tài)，沒有出現(xiàn)反進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。由此可以得出，聯(lián)軸器對(duì)中不良以及動(dòng)靜摩擦不是導(dǎo)致該主泵振動(dòng)的原因。

對(duì)繪制的波形圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主泵的振動(dòng)波形均為正弦波，曲線較為光滑，沒有出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)削波、拍形波以及高低頻混合波形的現(xiàn)象。由此可以排除動(dòng)靜摩擦、軸承損壞、相近頻率振動(dòng)等故障。

同時(shí)，當(dāng)兩臺(tái)主泵運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)的幅值以及相位均維持穩(wěn)定，而在進(jìn)行升溫升壓以及主泵的啟停時(shí)振動(dòng)均呈現(xiàn)上漲的趨勢(shì)?？芍?，主泵轉(zhuǎn)子存在一定的熱變形。

此外，兩臺(tái)主泵配備的電機(jī)支撐于泵殼的接觸面積在75%以上，電機(jī)的支撐座在上下高度相近的兩點(diǎn)振幅差均＜8 μm，且在圓周上同一高度的兩點(diǎn)振動(dòng)幾乎相等，電機(jī)繞組以及軸承各溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度一致，由此排除支撐系統(tǒng)剛度不足、膨脹不暢等故障。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)振動(dòng)故障具有如下特征：波形為正弦波，軸心軌跡為橢圓形，主頻為與轉(zhuǎn)速同步的工頻分量，振動(dòng)幅值和相位在穩(wěn)定平臺(tái)時(shí)較為穩(wěn)定。綜上可知，引起兩臺(tái)主泵振動(dòng)異常的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子不平衡以及轉(zhuǎn)子熱變形。

轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障原因，通常采用動(dòng)平衡試驗(yàn)的方法，在轉(zhuǎn)子適當(dāng)?shù)牟课簧霞又鼗蛉ブ兀{(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置，以使不平衡力減小到能夠滿足泵穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

針對(duì)轉(zhuǎn)子熱變形故障，通常采用熱平衡的方法來處理。熱平衡主要是在制定加重方案時(shí)兼顧考慮空載和滿負(fù)荷下的振動(dòng)，但通過對(duì)振動(dòng)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷在變化時(shí)熱變形的幅值變化較大，此外兩臺(tái)主泵處于剛開始運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)間較短，無法判斷長時(shí)間運(yùn)行時(shí)熱變形量是否穩(wěn)定，因而不適合采用熱平衡處理方法來處理。

針對(duì)上述原始振動(dòng)和熱變形量都較大的現(xiàn)象，可采取動(dòng)平衡的方法將轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)減小，同時(shí)由熱變形引起的振動(dòng)也將隨之減小[4]。因此，針對(duì)上述兩臺(tái)主泵的振動(dòng)故障，采取動(dòng)平衡的方法來處理是科學(xué)、合理的。

三、動(dòng)平衡試驗(yàn)

動(dòng)平衡前兩臺(tái)主泵的原始振動(dòng)參數(shù)見表1。

動(dòng)平衡基本思路是[5]：首先選定平衡轉(zhuǎn)速，平衡轉(zhuǎn)速必須是恒定的，再通過加重試驗(yàn)求出加重對(duì)振動(dòng)的影響系數(shù)，進(jìn)而求出應(yīng)加的平衡質(zhì)量。剛性轉(zhuǎn)子（工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速）動(dòng)平衡通常需要兩個(gè)平面，而上述兩臺(tái)主泵的轉(zhuǎn)子失重面均為一個(gè)確定平面，可以采用單平面的平衡方法來處理。

根據(jù)主泵動(dòng)平衡的經(jīng)驗(yàn)，考慮各種不確定因素后，決定在1號(hào)、2號(hào)主泵聯(lián)軸器處分別加配重846 g和790 g。試加配重后測(cè)得的振動(dòng)參數(shù)見表2。

表1 主泵原始振動(dòng)參數(shù)

表2 首次試加配重后振動(dòng)參數(shù)

由表2可知，1號(hào)主泵在試加配重后，軸振位移從175 μm左右降至80 μm左右，振動(dòng)得到有效控制，泵達(dá)到良好的運(yùn)行狀態(tài)，不需要再次添加配重；2號(hào)主泵的軸振位移從219.5 μm左右降至161 μm左右，振動(dòng)得到一定改善，但軸振動(dòng)位移仍較大，需要根據(jù)影響系數(shù)進(jìn)行第二次添加配重。

2號(hào)主泵最終確定再添加1005 g的配重進(jìn)行第二次動(dòng)平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)前后振動(dòng)參數(shù)如表3所示。

由表3可見，2號(hào)主泵在第二次添加配重后，軸振位移從161 μm左右降至66.5 μm左右，振動(dòng)得到進(jìn)一步控制，保證了泵的安全運(yùn)行。

四、結(jié)束語

振動(dòng)是泵較為常見的故障，主泵作為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全、可靠的運(yùn)行對(duì)核電站起著至關(guān)重要的作用。通過對(duì)核電站兩臺(tái)主泵振動(dòng)的測(cè)量和診斷，分析了導(dǎo)致振動(dòng)故障的原因，并通過動(dòng)平衡試驗(yàn)，將兩臺(tái)主泵的振動(dòng)降低到較低水平，保證了主泵安全可靠地運(yùn)行，為核電站的安全和效率提供了保障。

表3 動(dòng)平衡前后2號(hào)主泵振動(dòng)參數(shù)

1 廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2004

2 趙振宇，高培.嶺澳核電站動(dòng)平衡[J].中國設(shè)備工程，2011，4：32～33

3 楊建剛.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007

4 姜元鋒，傅汝楫，包玉宏.鍋爐給水泵振動(dòng)診斷及案例分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，1987，6：6～12

5 王維民，高金吉，江志農(nóng)，李燕.旋轉(zhuǎn)機(jī)械無試重現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡原理與應(yīng)用[J]. 振動(dòng)與沖擊，2011，29（2）：212～215