核電廠蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)給水泵振動(dòng)問(wèn)題分析

蘇明遠(yuǎn)

摘 要：核電廠蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是將主蒸汽系統(tǒng)的部分蒸汽轉(zhuǎn)換成低壓蒸汽，供用戶使用，而給水泵是該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力核心。某核電廠該系統(tǒng)的給水泵在運(yùn)行2年后出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，頻譜中100Hz電氣故障特征突出，解決該問(wèn)題有利于輔助蒸汽系統(tǒng)的健康運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：振動(dòng) 頻譜 電氣故障

中圖分類號(hào)： TH 3 1 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

0.引言

核電廠設(shè)置蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將主蒸汽系統(tǒng)的部分蒸汽轉(zhuǎn)化為1.2MPa，188℃的低壓蒸汽，供給核島和常規(guī)島系統(tǒng)和設(shè)備使用。某核電的2號(hào)機(jī)蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（STR系統(tǒng)）2號(hào)給水泵（設(shè)備編號(hào)：2STR002PO）在2013年11月份開(kāi)始運(yùn)行，2015年9月初發(fā)現(xiàn)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端水平向振動(dòng)值達(dá)3.1mm/s，超過(guò)報(bào)警值2.8mm/s。而1號(hào)機(jī)蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（STR系統(tǒng)）2號(hào)給水泵（設(shè)備編號(hào)：1STR002PO）的振動(dòng)健康狀態(tài)也不理想，在維修處理后3個(gè)月左右振動(dòng)值發(fā)展變大到報(bào)警值以上。1STR002PO泵的依照振動(dòng)故障模式，分別進(jìn)行過(guò)更換泵驅(qū)動(dòng)端軸承、重新進(jìn)行聯(lián)軸器對(duì)中、調(diào)整電機(jī)地腳螺栓等處理，但振動(dòng)幅值隨運(yùn)行時(shí)間緩慢上升的問(wèn)題在之前的處理方案中沒(méi)能消除。為解決2STR002PO的振動(dòng)問(wèn)題，技術(shù)人員針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)拓思路進(jìn)行系列的試驗(yàn)和分析，逐一驗(yàn)證可能的振動(dòng)故障模式，最終確定了主要原因，成功處理了該問(wèn)題。

1.蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)給水泵設(shè)備信息簡(jiǎn)介

2STR002PO泵為上海阿波羅機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)：AHD40-90×2，臥式、單級(jí)、單吸離心泵；額定流量：42.13m?/h；額定揚(yáng)程：177m；額定轉(zhuǎn)速：2955rpm。

電機(jī)為佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)：HY225M-2/45kW；電機(jī)軸承型號(hào)：SKF 6313/C3。

基礎(chǔ)為上海阿波羅機(jī)械股份有限公司提供的泵和電機(jī)公用臺(tái)板底座。

振動(dòng)限值標(biāo)準(zhǔn)為：

電機(jī)：振動(dòng)報(bào)警值2.8mm/s；停機(jī)值4.5mm/s

泵：振動(dòng)報(bào)警值4.5mm/s；停機(jī)值7.1mm/s

2.2STR002PO泵振動(dòng)不合格的問(wèn)題

某核電廠在對(duì)設(shè)備的定期振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2號(hào)給水泵（2STR002PO）振動(dòng)值超過(guò)報(bào)警值，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看到在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端水平向振動(dòng)值高，超出了報(bào)警值2.8mm/s，該測(cè)點(diǎn)的垂直向和軸向幅值降低；其他測(cè)點(diǎn)各方向幅值均不高，表征該振動(dòng)特征與電機(jī)水平向的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，能看到電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端水平向的頻譜特征一致，在FFT后的頻譜圖上，100Hz的尖峰突出，其他特征頻率峰值均很??；除顯著的電氣故障頻譜特征外，沒(méi)有表征出其他的故障特征。電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平向（MBD-H）點(diǎn)的頻譜圖見(jiàn)圖一所示。為區(qū)分電氣故障頻率特征（100Hz）和2倍轉(zhuǎn)速頻率特征（99.48Hz），建立H200Hz-3200LRMS的采集定義（有較高的分辨率），確定該故障頻率為電氣故障頻率。

3.2STR002PO泵振動(dòng)問(wèn)題的初步判斷

查看該設(shè)備的歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)，MBD-H測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值是從2015年開(kāi)始發(fā)展變大的，電機(jī)本體溫度、電機(jī)電流等參數(shù)無(wú)明顯異常。頻譜中以精確2倍電源頻率（100Hz）為主導(dǎo)，沒(méi)有轉(zhuǎn)子條通過(guò)頻率等邊帶特征；也無(wú)其他明顯故障特征（如1X，2X，軸承故障，噪音地坪…）；GSE值也無(wú)上升和尖峰（沒(méi)有潤(rùn)滑不良、碰磨問(wèn)題）。分析認(rèn)為是都是由于定轉(zhuǎn)子氣隙不均，導(dǎo)致產(chǎn)生不均衡磁拉力，引起電機(jī)空載時(shí)軸向振動(dòng)高。從設(shè)備的運(yùn)行歷史來(lái)看，認(rèn)為電機(jī)定子發(fā)生形變導(dǎo)致氣隙不均的可能性較大，而定子形變的立體圖難以測(cè)量和描述，糾正形變的難度很大。

4.電機(jī)定子變形問(wèn)題的驗(yàn)證和分析

為了驗(yàn)證電機(jī)定子變形問(wèn)題是否是導(dǎo)致2STR002PO電機(jī)振動(dòng)值上升的原因，技術(shù)人員進(jìn)行系列測(cè)量和驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)收集數(shù)據(jù)來(lái)分析電機(jī)不可見(jiàn)的形變，分析振動(dòng)值上升的原因。

檢修車間內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)上的電機(jī)空載試驗(yàn)

將電機(jī)安放在檢修間的試驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)電動(dòng)機(jī)的四個(gè)地腳與平臺(tái)之間的間歇用塞尺進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)圖二電機(jī)地腳示意圖。其中左前、左后、右后3個(gè)地腳為0.02mm塞尺距離；右前地腳有張角，塞尺為0.15mm距離。

在空載試驗(yàn)中，在固定板與電機(jī)底座接觸的面積減小時(shí)，空載振動(dòng)值的明顯變化。主要表現(xiàn)為水平向的振動(dòng)值增加量顯著，MBND-H點(diǎn)值從0.8mm/s增長(zhǎng)至1.9mm/s，超出了電機(jī)單轉(zhuǎn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)1.8mm/s，MBD-H點(diǎn)的振動(dòng)值也增長(zhǎng)一倍以上，但其他方向上的振動(dòng)值沒(méi)有明顯變化，驗(yàn)證了定子形變導(dǎo)致振動(dòng)值上升的觀點(diǎn)。在廠房?jī)?nèi)實(shí)際安裝情況是螺栓墊片與電機(jī)底座的接觸面積更小，導(dǎo)致電機(jī)定子的形變量會(huì)更大。

生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)臺(tái)板底座上的試驗(yàn)

測(cè)量2STR002PO配套的臺(tái)板底座表面的水平度，水平度滿足1mm/m的要求。制作增大與電機(jī)底座接觸面積的墊塊，和加軟墊來(lái)增加接觸面的方案，均不能減緩電機(jī)定子的形變情況（振動(dòng)水平）。但松開(kāi)地腳螺栓后，振動(dòng)值有明顯變化：電動(dòng)機(jī)四個(gè)地腳螺栓緊固后，驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端水平向振動(dòng)值均在6mm/s以上；松開(kāi)圖二中的右前地腳螺栓后，振動(dòng)值降低至4.5mm/s左右；松開(kāi)右前、右后兩個(gè)地腳螺栓后，振動(dòng)值降低至1.1mm/s。

用百分表測(cè)量螺栓緊固給電機(jī)帶來(lái)的形變量。電機(jī)處于未運(yùn)行狀態(tài)，先將電機(jī)腳下的底板面清理干凈，移走所有的墊片，然后上緊電機(jī)的緊固螺栓。在臺(tái)板底座架設(shè)百分表，通過(guò)松開(kāi)在表旁的一顆電機(jī)地腳螺栓，觀察百分表讀數(shù)的變化。分別測(cè)得右前和左后兩個(gè)地腳處的位移量為50μm，左前和右后處的位移量約5μm，表明該電機(jī)基座的形變剛好達(dá)到國(guó)標(biāo)的控制限值50μm。

但分析螺栓緊固給電機(jī)帶來(lái)的形變量對(duì)振動(dòng)的實(shí)際影響：圓形的定子在垂直方向50μm的形變，導(dǎo)致水平方向的形變量應(yīng)該很小，但水平向振動(dòng)值發(fā)生了5倍以上的變化，垂直向的變化反而不大。振動(dòng)大幅變化的原因除定子形變外，還應(yīng)有其他原因。

5.電機(jī)固有頻率拾取試驗(yàn)和分析

電機(jī)處于未運(yùn)行狀態(tài)下，在不同電機(jī)地腳螺栓緊固組合的情況下重點(diǎn)對(duì)電機(jī)MBD-H測(cè)點(diǎn)進(jìn)行固頻拾取試驗(yàn)，觀察響應(yīng)普中100Hz附近的尖峰特征：

電機(jī)底座4處地腳螺栓全緊固時(shí)，固有頻率剛好在100Hz左右；

松開(kāi)左前、左后地腳螺栓，固有頻率為96Hz；

松開(kāi)左前、左后、右后地腳螺栓，固有頻率為90Hz；

松開(kāi)右前地腳螺栓，固有頻率為106Hz；

松開(kāi)右前、右后地腳螺栓，固有頻率為91Hz；

松開(kāi)右后地腳螺栓，固有頻率為100Hz。

試驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)安裝在某狀態(tài)的臺(tái)板底座上，電機(jī)水平方向上的固頻響應(yīng)剛好在100Hz附近，振動(dòng)值因共振原因會(huì)被放大?？赏ㄟ^(guò)在臺(tái)板底座上焊接肋板、重新灌漿或更換臺(tái)板的方式來(lái)避開(kāi)共振。

在該電廠技術(shù)人員對(duì)2STR002PO所在的臺(tái)板底座進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)臺(tái)板與灌漿地面的右側(cè)地腳螺栓有可緊固的裕度。在對(duì)臺(tái)板底座上的螺栓按力矩要求上限進(jìn)行緊固后，電機(jī)MBD-H測(cè)點(diǎn)進(jìn)行固頻拾取試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖三緊固臺(tái)板底座螺栓后的固頻拾取試驗(yàn)譜圖。從敲擊試驗(yàn)的頻譜上可以看到，通過(guò)緊固臺(tái)板底座上的地腳螺栓改變了臺(tái)板與電機(jī)組合的整體剛度后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平向上測(cè)得的固頻響應(yīng)的尖峰值從原來(lái)的100Hz左右上升到110Hz，離開(kāi)了自身的電氣故障頻率（100Hz），共振情況被消弱。電機(jī)啟動(dòng)后水平向的振動(dòng)值為1.4mm/s，空載試驗(yàn)合格，后續(xù)聯(lián)泵后的振動(dòng)值也合格，該問(wèn)題處理完成。

6.總結(jié)

佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)的該系類電機(jī)使用在核電廠的多個(gè)系統(tǒng)中，電機(jī)振動(dòng)值在一個(gè)換料周期內(nèi)有明顯上升，且以100Hz電氣故障頻率峰值突出的特征在多個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)，并在多個(gè)核電廠中發(fā)生，技術(shù)人員投入了大量資源來(lái)分析處理該共性問(wèn)題，積攢了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提供了諸多可行的方法。某核電廠從STR系統(tǒng)的設(shè)備上找到新的技術(shù)信息，從平臺(tái)底座與電機(jī)共振的角度來(lái)分析和解決了問(wèn)題，可供技術(shù)人員參照。

某核電廠2STR02PO的振動(dòng)問(wèn)題原因總結(jié)為因電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝等原因，自帶有100Hz的頻率為主的振動(dòng)特征（在空載試驗(yàn)中能監(jiān)測(cè)到）。電機(jī)基座與基礎(chǔ)臺(tái)面的配合面的平整度因加工精度、焊接變形和混凝土固化成型等各方面的差異帶來(lái)水平度上偏差（存在虛角），長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)帶了螺栓緊固力的變化引起轉(zhuǎn)子形變，電機(jī)本身的激振力會(huì)變大。臺(tái)板底座的設(shè)計(jì)、制造工藝等原因，在現(xiàn)場(chǎng)安裝后固有頻率會(huì)落在100Hz附近，鋼質(zhì)基礎(chǔ)臺(tái)板和內(nèi)澆灌的混凝土膨脹系數(shù)有差異，溫度變化會(huì)帶來(lái)臺(tái)板緊固螺栓的緊固力變化，改變臺(tái)板的剛度（固有頻率）剛好接近100Hz，引起明顯振動(dòng)。

在不能更換電機(jī)的情況下，通過(guò)緊固地腳螺栓，焊接肋板，重新灌漿或跟換臺(tái)板來(lái)改變臺(tái)板固有頻率，避開(kāi)100Hz頻率10%以上來(lái)消除共振響應(yīng)，降低振動(dòng)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃志堅(jiān)，高立新，廖一凡，等. 機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 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(guó)電力出版社，2007.