海南核電反沖洗水泵振動(dòng)大問(wèn)題淺析

張 煜 岳源洲 邢 孟

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、前言

海南昌江核電廠(chǎng)PX泵房反沖洗水泵為單級(jí)、單吸、雙蝸殼立式離心泵，整體布置如圖1所示，配鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，工作轉(zhuǎn)速2950 r/min，中心高225 mm，其與泵共用一個(gè)支架，參考《JBT 8097-1999泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》，該泵屬于第二類(lèi)離心泵，振動(dòng)監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)＜2.8 mm/s合格。

海南核電1號(hào)機(jī)組配置4臺(tái)該型泵組，編號(hào)1CFI101PO～1CFI104PO，在安裝完成后，試運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)了多臺(tái)泵組出現(xiàn)了較為明顯的電機(jī)及泵體的振動(dòng)較大情況，現(xiàn)將總體試驗(yàn)表現(xiàn)及原因進(jìn)行分析。

圖1 反沖洗水泵組

二、試驗(yàn)過(guò)程及表現(xiàn)

各泵組在2013年8月完成安裝，進(jìn)入單體及帶載試運(yùn)，過(guò)程中出現(xiàn)了多次電機(jī)單體和整體泵組的振動(dòng)超標(biāo)情況，匯總?cè)缦拢?測(cè)量單位 mm/s）。

2013-09-06下午，1CFI104PO和101PO進(jìn)行了帶載試車(chē)，結(jié)果1CFI104PO振動(dòng)超標(biāo)。

2013-09-12，1CFI102PO進(jìn)行了空載和帶載，空載時(shí)電機(jī)振動(dòng)合格，帶載電機(jī)不合格。

2013-09-14對(duì)1CFI102PO及1CFI101PO進(jìn)行了帶載試運(yùn)，啟動(dòng)初期泵體和電機(jī)振動(dòng)均合格，半個(gè)小時(shí)后電機(jī)振動(dòng)合格，泵體振動(dòng)均超標(biāo)。

2013-11-13對(duì)1CFI102PO和104PO進(jìn)行了帶載試車(chē)，其中1CFI102PO泵體振動(dòng)合格，電機(jī)水平方向3.3～3.5 mm/s，振動(dòng)超標(biāo)，1CFI104PO泵體、電機(jī)振動(dòng)均超標(biāo)達(dá)到了4～4.5 mm/s。

2013-12-19上午1CFI102PO和1CFI104PO互換電機(jī)進(jìn)行了檢測(cè)，振動(dòng)超標(biāo)。

2013-12-31試運(yùn)1CFI104PO反沖洗水泵，振動(dòng)超標(biāo)，地腳螺栓進(jìn)行調(diào)整后，振動(dòng)調(diào)整合格。

2014-02-13 對(duì) 1CFI101、102、103、104PO 電機(jī)的空載試車(chē)工作。其中1CFI101、102PO電機(jī)數(shù)據(jù)正常，1CFI103、004PO電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)。

2014-04-24啟動(dòng)1CFI101PO反沖洗水泵進(jìn)行電機(jī)空載試車(chē)，啟動(dòng)初期振動(dòng)值在1.8 mm/s左右，隨時(shí)間增長(zhǎng)，振動(dòng)值波動(dòng)在 2～3.5 mm/s之間，不合格。

2014-08-08上午1CFI103PO反沖洗水泵帶載試車(chē)，電機(jī)振動(dòng)值4.4 mm/s，不合格，調(diào)整后振動(dòng)達(dá)到1.7～2.3 mm/s。

針對(duì)以上試運(yùn)狀況，調(diào)試人員對(duì)4臺(tái)泵組進(jìn)行了檢查軸系對(duì)中及軸承零部件檢查等操作，效果不明顯，后分別采取了增加臨時(shí)支架和基礎(chǔ)加固等操作，使得各泵組振動(dòng)值基本接近合格水平，但在隨后的工程需要而再次啟停后，各泵組又不同程度的出現(xiàn)了振值反復(fù)和波動(dòng)甚至超標(biāo)情況，每次需經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整后方能達(dá)到運(yùn)行要求，但也不能保證再次啟動(dòng)后的效果。

三、振動(dòng)特點(diǎn)及分析

1.振動(dòng)特點(diǎn)

（1）振動(dòng)表現(xiàn)具有方向性。無(wú)論是電機(jī)和水泵，試運(yùn)中多表現(xiàn)為橫向（即水平）方向振動(dòng)值較大，垂直方向（軸向）較小。

（2）振動(dòng)幅值變化具有較強(qiáng)的敏感性。主要表現(xiàn)為處理過(guò)程中調(diào)整電機(jī)支座等部位的連接螺栓緊力、檢查并研磨接觸面水平等操作對(duì)振動(dòng)幅值有較大的影響，但影響方向不確定，如2013.12.12試運(yùn)104PO，初期電機(jī)7.9 mm/s，后調(diào)整振動(dòng)較大位置螺栓，該方向振動(dòng)值下降為2.2 mm/s，但與其垂直方向則從2.9增加至3.5 mm/s；

（3）振動(dòng)幅值變化不穩(wěn)定。不止一臺(tái)泵組出現(xiàn)有運(yùn)行初期合格，而隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，振動(dòng)值增長(zhǎng)并超標(biāo)的情況，或出現(xiàn)有振動(dòng)幅值反復(fù)波動(dòng)的漂移現(xiàn)象；

（4）振動(dòng)成分較為單一。圖2為104PO在2014.8.12的測(cè)量數(shù)據(jù)，從頻譜看，組成中峰值頻率明顯，表現(xiàn)為49.5～49.77 Hz成分，參考設(shè)備轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)為轉(zhuǎn)速頻率項(xiàng)，其余在振動(dòng)較高情況時(shí)也表現(xiàn)為類(lèi)似現(xiàn)象。

圖2 1CFI103PO振動(dòng)頻譜

2.原因分析

（1）振動(dòng)具有方向性。各泵組試運(yùn)中均表現(xiàn)為橫向水平振動(dòng)較高，軸向振動(dòng)值較小，這是立式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)機(jī)較為常見(jiàn)的振動(dòng)表現(xiàn)，此現(xiàn)象主要與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝布置存在偏差有直接的關(guān)系。對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在內(nèi)部各部件正確安裝，相關(guān)間隙等參數(shù)調(diào)整合格的情況下，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中振動(dòng)因素的主要來(lái)源為轉(zhuǎn)子的殘余不平衡力，通常情況下，根據(jù)不同的機(jī)械設(shè)備，有不同的平衡標(biāo)準(zhǔn)，在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求控制下，殘余不平衡狀況處于允許的范圍內(nèi)，設(shè)備振動(dòng)值也不會(huì)較大，但是，由于現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)制作偏差，臺(tái)板加工平整度超標(biāo)以及地腳螺栓緊固不均等原因，則會(huì)對(duì)設(shè)備振動(dòng)有一定的影響，一般的會(huì)形成設(shè)備支撐系統(tǒng)動(dòng)剛度水平的下降。在線(xiàn)性系統(tǒng)中，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與它的動(dòng)剛度成反比，見(jiàn)（1）式表示。

式中A——振幅

P——激振力

Kd——部件動(dòng)剛度

因此，即使是轉(zhuǎn)子制造控制合格，殘余不平衡力較小，但是，由于安裝偏差降低了支撐系統(tǒng)的動(dòng)剛度，這樣在同等級(jí)別的激振力作用下，也會(huì)呈現(xiàn)出較明顯的振動(dòng)水平。相對(duì)的，對(duì)于立式轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的消振操作，也可由同樣的出發(fā)點(diǎn)加以考慮，即可以通過(guò)精細(xì)化安裝和加強(qiáng)泵組支撐剛度來(lái)弱化結(jié)構(gòu)因素的影響，以達(dá)到降低振動(dòng)幅值的目的。

（2）振動(dòng)幅值較強(qiáng)的敏感性。各泵組在試運(yùn)中，多次采用了基礎(chǔ)加固以及各結(jié)合面螺栓緊力調(diào)整方式，以期進(jìn)一步改善振動(dòng)狀況，但不同程度的出現(xiàn)在調(diào)整合格后，停機(jī)再次啟動(dòng)后振動(dòng)又超標(biāo)的情況，尤其是在泵組不停機(jī)過(guò)程中，進(jìn)行電機(jī)地腳螺栓松緊程度調(diào)整操作時(shí)，振動(dòng)幅值變化明顯，這顯示電機(jī)支撐面存在有一定的虛接觸，或結(jié)合面接觸不良情況，此時(shí)結(jié)合面兩側(cè)在運(yùn)行中就會(huì)有一定的差別振動(dòng)情況，即使對(duì)緊固螺栓施加了大的力矩，只能使支撐面產(chǎn)生附加變形，而不能從根本上消除或改善差別振動(dòng)，相反有可能進(jìn)一步惡化了接觸不良現(xiàn)象，另外，電機(jī)基礎(chǔ)剛性不足時(shí)，也會(huì)在螺栓緊固調(diào)整過(guò)程中放大影響程度，使得振動(dòng)結(jié)果產(chǎn)生較強(qiáng)的敏感性。

（3）振動(dòng)不確定性。如果設(shè)備較高的振動(dòng)是由于機(jī)械原因所致，包括立式電機(jī)的安裝位置較高形成的擺度偏差，軸系對(duì)中不良以及殘余平衡力大等方面，其所產(chǎn)生的振動(dòng)表現(xiàn)與轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)明顯，會(huì)隨轉(zhuǎn)速變化而變化，另一方面，由于電機(jī)從冷態(tài)啟動(dòng)至正常運(yùn)行狀態(tài)需要有一定的時(shí)間，以達(dá)到金屬部件的熱態(tài)穩(wěn)定，而過(guò)程中如出現(xiàn)內(nèi)部轉(zhuǎn)子、定子部件等膨脹不均、匝間短路等異常時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲、輕微摩擦等附加不平衡影響，導(dǎo)致有振動(dòng)的異常及不穩(wěn)定變化，特別的，即使電機(jī)空載試運(yùn)正常，但如有轉(zhuǎn)子籠條裂紋等隱性問(wèn)題，也會(huì)在帶載后使轉(zhuǎn)子徑向溫度不均而輕微變形、不平衡力增加的情況，從而表現(xiàn)出隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)振動(dòng)逐步變化的現(xiàn)象。

海核該泵組為定速泵，電氣開(kāi)關(guān)合閘后會(huì)很快達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，但電機(jī)內(nèi)部達(dá)到熱態(tài)穩(wěn)定一般3～4 h，雖然多次試運(yùn)中，有振動(dòng)值變化情況，但基本均表現(xiàn)每次啟動(dòng)后達(dá)到工作轉(zhuǎn)速后的短時(shí)間內(nèi)振動(dòng)值不同，即歷次啟動(dòng)后的重復(fù)性較差，而不是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中仍出現(xiàn)振動(dòng)值的漂移情況，因此，該型振動(dòng)的不確定性原因基于機(jī)械安裝方面的可能性更大些。

（5）振動(dòng)組成表現(xiàn)單一。測(cè)量電機(jī)和水泵的振動(dòng)頻譜，振動(dòng)值較大的表現(xiàn)中，存在有明顯而單獨(dú)的組成成分，經(jīng)查對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速頻率峰值，其貢獻(xiàn)值占振動(dòng)總量的90%以上。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械而言，沒(méi)有設(shè)備安裝和間隙調(diào)整不當(dāng)、零部件本體異常以及工作介質(zhì)擾動(dòng)等情況下，振動(dòng)組成的通常表現(xiàn)即為單一的一倍頻情況，但是如其峰值較大，則說(shuō)明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有明顯的平衡殘余存在，以及支撐剛度偏弱或共振等原因，另外，嚴(yán)重的對(duì)中不良也會(huì)有明顯的一倍頻出現(xiàn)。

通過(guò)以上分析，結(jié)合各泵組在帶載和空載的試運(yùn)表現(xiàn)，以及運(yùn)行中螺栓調(diào)整的響應(yīng)狀況，認(rèn)為此型泵組的振動(dòng)異常主要原因，一是電機(jī)支撐面部位存在接觸不良情況，運(yùn)行中出現(xiàn)有一定的振動(dòng)差別，使得需要在運(yùn)行中進(jìn)行螺栓緊力調(diào)整，振動(dòng)值才能達(dá)到合格水平。二是基礎(chǔ)總體剛性較弱，使得在較小的甚至是合格的不平衡激振力作用下，也會(huì)由于系統(tǒng)穩(wěn)定性差而產(chǎn)生較高的振動(dòng)表現(xiàn)，這從運(yùn)行中松緊結(jié)合面螺栓、加大或放松支撐力度等微小操作均能明顯產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)予以證實(shí)。三是存在有一定的基礎(chǔ)共振情況，圖3為對(duì)泵組基礎(chǔ)固有頻率測(cè)量，顯示其中主要成分與運(yùn)行中高振動(dòng)頻譜的峰值頻率值非常接近，有共振影響。

四、治理方案

（1）檢查電機(jī)支撐面水平及接觸情況，對(duì)支撐面用水平儀精確找平，用紅丹粉檢查結(jié)合面接觸面積75%以上范圍，并對(duì)結(jié)合面螺栓均勻緊固，消除差別振動(dòng)情況；

圖3 1CFI103PO號(hào)泵組基礎(chǔ)固有頻率

（2）針對(duì)存在的基礎(chǔ)共振情況，選擇合適部位進(jìn)行基礎(chǔ)加固，以改善基礎(chǔ)固有頻率，使之遠(yuǎn)離泵組運(yùn)行頻率范圍，避免共振發(fā)生；

根據(jù)工程進(jìn)展，對(duì)101PO水泵進(jìn)行了相應(yīng)的電機(jī)結(jié)合面接觸情況處理，同時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)加固措施，具體為把相互獨(dú)立的3個(gè)混凝土支墩,橫向用槽鋼連接固定，降低了其在豎直方向上過(guò)于單薄的影響，使其聯(lián)成一體，受力統(tǒng)一，在靠近高點(diǎn)位置增加水平剛性支撐，減小了水平方向上基礎(chǔ)的振動(dòng)。泵組試運(yùn)后，振動(dòng)值明顯減低至2.3 mm/s左右，達(dá)到了合格水平。

五、結(jié)論

此次反沖洗水泵的振動(dòng)值降低，關(guān)鍵在于總結(jié)了其空載、帶載等不同工況下的試運(yùn)現(xiàn)象和特點(diǎn)，并通過(guò)頻譜分析，確定振動(dòng)組成，有針對(duì)性的查找了故障原因并制定相應(yīng)的措施予以實(shí)施，消振方向較為正確，從而達(dá)到了改善振動(dòng)水平的效果，同時(shí)，為使泵組長(zhǎng)期保持穩(wěn)定合格水平，將考慮進(jìn)一步改善泵組支撐狀況：由于泵組豎直方向尺寸較大，位置越高點(diǎn)振動(dòng)值會(huì)越大，而支撐點(diǎn)越高會(huì)有利于振動(dòng)的改善，選擇以靠近電機(jī)支座處為支撐部位，另外，也可通過(guò)精細(xì)動(dòng)平衡降低激振力，從而減小基礎(chǔ)剛性不足對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)，以達(dá)到徹底降低振值的目的。