主泵電機(jī)振動(dòng)故障分析

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(福建福清核電有限公司，福建福清 350318)

0 引言

反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡(jiǎn)稱主泵，下同)是壓水堆冷卻劑環(huán)路系統(tǒng)中唯一高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，用于驅(qū)動(dòng)帶有放射性的高溫高壓冷卻劑，以便其將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路介質(zhì)。作為提供動(dòng)力的主泵電機(jī)，無(wú)疑起到“心臟”的作用，其性能的好壞將直接影響到主泵的穩(wěn)定、有效及安全運(yùn)行，進(jìn)而影響到核電廠的整體運(yùn)行工況。

1 電機(jī)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)某壓水堆核電站所采購(gòu)的百萬(wàn)千瓦級(jí)主泵電機(jī)系國(guó)內(nèi)某大型電機(jī)廠首次自主研發(fā)、設(shè)計(jì)及制造。基于三軸承主泵泵組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，電機(jī)進(jìn)行出廠試驗(yàn)的部件除電機(jī)本體外，還包含主泵電機(jī)上支座、主泵電機(jī)下支座的泵類部件。下面針對(duì)電機(jī)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與循環(huán)油系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

圖1 主泵三軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.1 電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、下機(jī)架、導(dǎo)軸承、冷卻器等部分組成。上機(jī)架、定子及下機(jī)架從上到下組成一體，其中電機(jī)的導(dǎo)軸承安裝在上機(jī)架內(nèi)，飛輪位于下機(jī)架內(nèi)，止逆機(jī)構(gòu)位于電機(jī)頂部。電機(jī)與主泵共用的雙向推力組合軸承布置在泵與電機(jī)的位置，改變了常規(guī)采用的推力軸承布置在電機(jī)轉(zhuǎn)子上端，即轉(zhuǎn)子支點(diǎn)在上的懸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，故電機(jī)總體結(jié)構(gòu)為半傘式，即電機(jī)本體內(nèi)僅布置一個(gè)上導(dǎo)軸承，承重支點(diǎn)在電機(jī)的軸伸位置。

1.2 電機(jī)上、下支座結(jié)構(gòu)

基于三軸承主泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，電機(jī)進(jìn)行出廠試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)除包含電機(jī)本體外，還包含主泵電機(jī)上支座、主泵電機(jī)下支座的泵類部件。電機(jī)上支座起到主泵電機(jī)支撐作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括雙向推力組合軸承、油箱、油冷卻器等；電機(jī)下支座起到電機(jī)上支座與主泵泵體的定位作用。通過電機(jī)的上、下支座，來保證電機(jī)循環(huán)油系統(tǒng)的正常使用，從而實(shí)現(xiàn)軸承的冷卻與潤(rùn)滑功能，并起到調(diào)節(jié)油箱內(nèi)油位作用。

1.3 循環(huán)油系統(tǒng)

電機(jī)循環(huán)油系統(tǒng)由主進(jìn)油管、輔進(jìn)油管、出油管、電機(jī)上油箱組成，其中包含閥門、流量計(jì)、止逆閥等零部件。主泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為防止上導(dǎo)軸承因缺少潤(rùn)滑油而損壞，須先起動(dòng)輔進(jìn)油管潤(rùn)滑油泵(泄油泵)，由輔進(jìn)油管向上油箱供油。電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，主進(jìn)油管將向上油箱正常供油，停止輔進(jìn)油管潤(rùn)滑油泵，供油任務(wù)改為主進(jìn)油管完成。

2 主泵電機(jī)試驗(yàn)振動(dòng)問題分析

上述首臺(tái)主泵電機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，出現(xiàn)了軸振值嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象。針對(duì)振動(dòng)超標(biāo)問題產(chǎn)生的原因，通過多方面的查找、分析，確定了原因并進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)，最終使電機(jī)的試驗(yàn)振動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 主泵電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

主泵電機(jī)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，共設(shè)置了2個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分別位于電機(jī)上機(jī)架及電機(jī)軸，其中上機(jī)架的振動(dòng)上限值設(shè)置為90μm，電機(jī)軸的振動(dòng)上限值設(shè)置為120μm。每個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)振動(dòng)傳感器，分別監(jiān)測(cè)X、Y向振動(dòng)，其中電機(jī)軸的傳感器為渦流式的位移傳感器，而電機(jī)上機(jī)架的傳感器為速度傳感器，具體的位置圖見圖2。

圖2 主泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2.2 故障原因分析及處理

2.2.1 故障現(xiàn)象

2012年5月7日，主泵電機(jī)在未安裝止逆情況下開始到達(dá)額定轉(zhuǎn)速試運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過近3小時(shí)試轉(zhuǎn)后剎車停機(jī)，試驗(yàn)過程中電機(jī)軸振普遍在100μm以上，最大時(shí)達(dá)到127μm。

5月13日，電機(jī)在安裝上止逆機(jī)構(gòu)后重新開始試轉(zhuǎn)，僅過了不到半小時(shí)，電機(jī)振動(dòng)即加劇，振動(dòng)曲線陡升，振動(dòng)值最大達(dá)到140μm，電機(jī)被迫剎車停機(jī)。

5月18日，電機(jī)拆下止逆機(jī)構(gòu)再次開始試轉(zhuǎn)，電機(jī)在試轉(zhuǎn)1小時(shí)后軸振達(dá)到最大為134.296μm， 隨后軸振在90～117μm附近波動(dòng)，剎車停機(jī)。

5月20日，電機(jī)在重新裝配調(diào)整后開始試轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)軸振為76μm左右。持續(xù)一段時(shí)間后，軸振變大，在1小時(shí)后達(dá)到最大，131.675μm左右，隨后剎車停機(jī)。

5月22日，電機(jī)進(jìn)行最后一次試轉(zhuǎn)，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，軸振最大到135μm左右，上導(dǎo)瓦溫升到72℃左右，將近1小時(shí)后停機(jī)。

2.2.2 故障原因分析

為查找電機(jī)振動(dòng)的原因，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)數(shù)據(jù)的收集，并進(jìn)行頻譜分析。通過電機(jī)的頻譜圖(圖3)分析，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，上、下方的優(yōu)勢(shì)頻率均為1倍頻，其他頻率成分相當(dāng)小。

圖3 電機(jī)頻譜圖

初步分析可能由如下幾個(gè)因素引起振動(dòng)過大。

(1)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在問題，主要懷疑振動(dòng)傳感器的探頭出現(xiàn)松動(dòng)或損壞；

(2)轉(zhuǎn)子的剩余不平衡力過大；

(3)電機(jī)上導(dǎo)軸承間隙過大；

(4)推力盤端面跳動(dòng)值偏大。

針對(duì)上述的初步原因分析，采取了一系列措施進(jìn)行設(shè)備調(diào)整或工藝上的改進(jìn)。首先對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行再次詳細(xì)檢查，確認(rèn)探頭是否出現(xiàn)松動(dòng)或損壞；針對(duì)轉(zhuǎn)子的剩余不平衡力，經(jīng)過對(duì)電機(jī)在試驗(yàn)期間測(cè)得的振動(dòng)曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)在試運(yùn)轉(zhuǎn)過程的低速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下沒有出現(xiàn)振動(dòng)突變，根據(jù)生產(chǎn)廠家的過往制造經(jīng)驗(yàn)，若轉(zhuǎn)子自身的動(dòng)平衡存在問題，電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)值就會(huì)陡升。但是在前述的數(shù)次試轉(zhuǎn)的過程中，振動(dòng)值在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前保持在合格范圍內(nèi)且處于穩(wěn)定轉(zhuǎn)態(tài)，故可基本排除問題來源于轉(zhuǎn)子本身。

對(duì)于上導(dǎo)軸承間隙過大導(dǎo)致振動(dòng)偏大的可能性，生產(chǎn)廠家在進(jìn)行的數(shù)次試轉(zhuǎn)過程中已對(duì)上導(dǎo)軸承的間隙做過微調(diào)處理，將間隙值從單邊0.165mm逐漸調(diào)整到0.15mm，但發(fā)現(xiàn)電機(jī)在調(diào)整后的后續(xù)試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸振下降幅度不明顯。如果繼續(xù)調(diào)整上導(dǎo)瓦與轉(zhuǎn)軸的間隙，存在因間隙過小而導(dǎo)致無(wú)法滿足運(yùn)行時(shí)軸承部件熱膨脹和動(dòng)壓油膜建立需求，最終造成瓦溫過高而形成燒瓦的潛在風(fēng)險(xiǎn)，且上導(dǎo)瓦的原供貨商也不建議繼續(xù)縮小導(dǎo)瓦與轉(zhuǎn)軸間的間隙。

電機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，推力盤端面的跳動(dòng)值為0.05mm。試運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，生產(chǎn)廠家升版相關(guān)的擺度工藝守則，將推力盤與轉(zhuǎn)軸、上半聯(lián)軸器及可拆軸等一同在10m臥車上測(cè)量擺度值，將推力盤端面的跳動(dòng)值調(diào)整到0.02mm。

通過上述的調(diào)整及改進(jìn)，主泵電機(jī)在廠內(nèi)重新進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸振仍不穩(wěn)定，電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后的振動(dòng)值在100μm～110μm之間進(jìn)行波動(dòng)。此次試運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果反映了之前對(duì)造成振動(dòng)超標(biāo)的可能因素并不是造成主泵電機(jī)軸振偏大的主要原因。

通過進(jìn)一步的分析與排查，認(rèn)為轉(zhuǎn)軸上的部件松動(dòng)也是引起軸振的變化與不穩(wěn)定重要因素?；诖怂悸?，考慮到由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸的下導(dǎo)軸承套筒與轉(zhuǎn)軸采用冷裝方式，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中或因此套筒松動(dòng)從而造成了軸振偏大。另外，在設(shè)計(jì)方過去的四軸承結(jié)構(gòu)泵組設(shè)計(jì)中，此套筒是在推力盤下方，能夠被聯(lián)軸器和中間套筒軸向頂緊。而此核電項(xiàng)目的主泵泵組采用是三軸承結(jié)構(gòu)泵組設(shè)計(jì)，該套筒是在推力盤的上方，套筒軸向長(zhǎng)度比此段軸最大短0.15mm，軸向是靠套筒上端的“O”型橡膠圈來?yè)尉o，存在高溫下松動(dòng)的可能。

圖4 三軸承結(jié)構(gòu)圖

圖5 四軸承結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述的分析，生產(chǎn)廠家通過升版相關(guān)的工藝程序改變下導(dǎo)軸承套筒與轉(zhuǎn)軸的安裝方式，由原先的冷裝改為熱套，并將套筒與轉(zhuǎn)軸之間的過盈量值固化在0.08～0.11mm。通過上述的工藝改進(jìn)后，重新進(jìn)行了電機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)，在8小時(shí)的試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電機(jī)軸振的最大值不超過70μm，遠(yuǎn)低于上限值，滿足了考核要求，也證明了造成軸振超標(biāo)的根本原因來自于下導(dǎo)軸承套在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的松動(dòng)。

圖6 電機(jī)振動(dòng)曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，引起電機(jī)振動(dòng)大的原因是多方面的。就本文所述的主泵電機(jī)振動(dòng)而言，由于是國(guó)內(nèi)首家采用百萬(wàn)千瓦級(jí)的三軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的主泵電機(jī)，在設(shè)計(jì)、工藝上有著不成熟之處，并且試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與其它類型的電動(dòng)機(jī)有著明顯的區(qū)別。因此，除了分析常規(guī)的引起電機(jī)振動(dòng)大原因外，結(jié)合頻譜分析及與其他設(shè)計(jì)類型的主泵電機(jī)相比較，準(zhǔn)確判斷出電機(jī)振動(dòng)的根本原因。

通過一系列的分析及解決措施，主泵電機(jī)的振動(dòng)問題得以順利解決，解決了影響主泵電機(jī)交貨進(jìn)度滯后的關(guān)鍵障礙，為核電站機(jī)組的調(diào)試提供了有力的設(shè)備保障。

總結(jié)振動(dòng)故障分析流程，應(yīng)關(guān)注兩點(diǎn)：一是判斷故障的真?zhèn)?，即分析設(shè)備本身是否出現(xiàn)故障，是否為測(cè)振儀表失效造成的假象；二是分析故障的類型，就是分析發(fā)生了什么類型的振動(dòng)故障，是何種原因所造成的故障，這是故障診斷的核心。對(duì)故障類型的診斷，要找主要矛盾，在確保準(zhǔn)確的前提下，盡可能明確主要故障，進(jìn)一步分析并解決。

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