控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的減振改造研究與應(yīng)用1)

施雪峰,周 偉,翁云峰

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

方家山核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)(簡稱RRM系統(tǒng))。屬于核島內(nèi)部重要通風(fēng)冷卻系統(tǒng),負(fù)責(zé)確?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電線圈和位置指示器的溫度在正常范圍內(nèi),使其可以正常運(yùn)行。若機(jī)組在滿功率運(yùn)行期間,RRM風(fēng)機(jī)故障無法正常運(yùn)行,控制棒冷卻機(jī)構(gòu)將無法得到有效的冷卻,核電機(jī)組就必須進(jìn)入冷停模式。

方家山核電站2臺(tái)機(jī)組共8臺(tái)RRM風(fēng)機(jī),分別為：1/2RRM001/002/003/004ZV。風(fēng)機(jī)型號(hào)為C式離心風(fēng)機(jī),生產(chǎn)廠家：浙江上風(fēng)。電機(jī)直聯(lián)葉輪,采用4 mm厚Q235B槽鋼焊接成型的方式制成基礎(chǔ)框架,以橡膠減震器作為主要的減振手段(風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示)。在核電站正常功率運(yùn)行和熱停堆期間RRM系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行,RRM風(fēng)機(jī)單機(jī)組4臺(tái)2用2備(A/B系列分別1用1備)。

圖1 方家山RRM風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1 RRM系統(tǒng)風(fēng)機(jī)存在的問題

RRM系列風(fēng)機(jī)在2015年投運(yùn)開始就頻繁出現(xiàn)振動(dòng)高報(bào)問題,個(gè)別風(fēng)機(jī)振動(dòng)值一直保持在6.0 mm/s附近,已經(jīng)超出核電標(biāo)準(zhǔn)值5.5 mm/s,無限接近并超出國標(biāo)值7.5 mm/s。表1為改造前RRM風(fēng)機(jī)在線振動(dòng)數(shù)值。由表1可知1RRM001/002/004,2RRM001ZV四臺(tái)風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)值都超過5.5 mm/s,振動(dòng)情況十分惡劣。振動(dòng)問題已經(jīng)成了RRM風(fēng)機(jī)的共性問題。自首次發(fā)現(xiàn)方家山核電站1、2號(hào)機(jī)組RRM風(fēng)機(jī)振動(dòng)值超標(biāo)問題以來,RRM共報(bào)出缺陷46項(xiàng),其中37項(xiàng)與振動(dòng)相關(guān)。振動(dòng)問題占到了RRM系統(tǒng)缺陷總數(shù)的80%。嚴(yán)重增加了機(jī)組運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)以及設(shè)備檢修成本,且在機(jī)組日常運(yùn)行期間(核島封閉的情況下),多次造成檢修人員帶功率進(jìn)島搶修,存在較大的人員安全風(fēng)險(xiǎn)及機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

表1 改造前RRM風(fēng)機(jī)在線振動(dòng)數(shù)值

2 原因分析與改進(jìn)方向

可能造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常的原因多種多樣：葉輪不平衡、配合間隙過大、主軸彎曲,基礎(chǔ)剛性不足,風(fēng)阻過大等[1]。在日常運(yùn)行期間,我們前期已經(jīng)對RRM風(fēng)機(jī)進(jìn)行了多次解體檢修：更換振動(dòng)探頭排查信號(hào)通道、更換電機(jī)檢查電機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲度、葉輪做動(dòng)平衡、風(fēng)管風(fēng)量監(jiān)測調(diào)節(jié)等,然而振動(dòng)問題依然得不到有效解決。

為了找出風(fēng)機(jī)振動(dòng)的根本原因,我們對問題風(fēng)機(jī)的振動(dòng)高報(bào)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測量與分析,振動(dòng)頻譜如圖2所示。由圖可知：RRM風(fēng)機(jī)以49.66 Hz的工頻振動(dòng)為主,有較豐富的諧波分量。振動(dòng)以不平衡激振力為主,因基礎(chǔ)為撓性基礎(chǔ),剛性不足使振動(dòng)幅值更大[2]。振動(dòng)治理可以從增加剛性和減小激振力入手,增加剛性方案有：增加轉(zhuǎn)軸剛性、增加葉輪剛性、增加支撐剛性。減小激振力只有通過風(fēng)機(jī)葉輪動(dòng)平衡這一方案。

圖2 1RRM001MO自由端垂直向振動(dòng)頻譜圖

方家山核電站8臺(tái)RRM風(fēng)機(jī)的葉輪已在專業(yè)平臺(tái)上進(jìn)行了多次動(dòng)平衡試驗(yàn),葉輪動(dòng)平衡均符合運(yùn)行要求,故在本文中不做研究討論。而葉輪剛性與轉(zhuǎn)軸剛性分別為風(fēng)機(jī)與電機(jī)的設(shè)計(jì)屬性,增加起來技術(shù)難度大且有可能影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù),對風(fēng)機(jī)造成二次傷害。所以可行性最高的減振改造方式就是增加風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剛性。

為了增加基礎(chǔ)剛性我們對RRM舊風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了整體研究分析,發(fā)現(xiàn)了舊基礎(chǔ)存在的兩個(gè)問題。

2.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)框架剛性不足

我們對原風(fēng)機(jī)底架(RRM舊底架)進(jìn)行了實(shí)地測繪,獲得了原結(jié)構(gòu)的基本尺寸參數(shù)。使用SOLIDWORKS軟件對原機(jī)架進(jìn)行了實(shí)體建模。之后利用了有限元法對原機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析,獲得了其固有頻率及對應(yīng)的模態(tài)振型圖,如圖3所示。

圖3 RRM舊底架模型圖

使用Solidworks對未改造設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析,其模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示,固有頻率表如表2所示。

名稱類型最小最大振幅1AMPRES:合成振幅(數(shù)值=40.2 Hz)1.108 68×10-50.225 721

圖4 RRM舊底架模態(tài)分析結(jié)果圖

Fig.4 The modal analysis of RRM old base

表2 RRM舊底架的固有頻率表

剛度=質(zhì)量×固有頻率2/2π(此剛度為模態(tài)分析下的理論估值,用于比較,非實(shí)際值)。

舊支架質(zhì)量約為50 kg,一階固有頻率為40 Hz,換算得出最低剛度約為12 739 N/m。RRM風(fēng)機(jī)質(zhì)量約1.3 t,基礎(chǔ)剛度只有12 739 N/m,基礎(chǔ)十分薄弱。同時(shí),RRM風(fēng)機(jī)干擾頻率為：葉輪轉(zhuǎn)速÷60=2970÷60=49.5 Hz。與RRM舊底架一階頻率40.2 Hz十分接近,風(fēng)機(jī)容易與基礎(chǔ)產(chǎn)生共振從而放大風(fēng)機(jī)振動(dòng)。

顯然RRM風(fēng)機(jī)舊基礎(chǔ)剛性已經(jīng)無法滿足設(shè)備運(yùn)行需求,我們計(jì)劃重新設(shè)計(jì)剛性更強(qiáng)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)來替換原有風(fēng)機(jī)底座。

2.2 橡膠減震器性能落后

現(xiàn)今市面上存在的三種風(fēng)機(jī)減震機(jī)構(gòu)為氣墊減震器、彈簧減震器、橡膠減震器3大類。

3大類減震器的性能對比：1)就成本考慮而言,氣墊減震器的價(jià)格是最高的,彈簧減震器次之,橡膠減震器價(jià)格最便宜;2)就減振性能而言,氣墊減震器的減振效果是最好的,彈簧減震器次之,橡膠減震器最差;3)就使用壽命而言,彈簧減震器的使用壽命最長,可達(dá)15～20 a;氣墊減震器次之;橡膠減震器最差,看各廠家橡膠減震器使用材料,減震器使用環(huán)境不同而有所不同;4)就維護(hù)簡易度而言,彈簧減震器壽命內(nèi)幾乎不用維護(hù),氣墊減震器一般需要一年到兩年的時(shí)間,補(bǔ)一次氣;橡膠減震器壽命內(nèi)也不需要維護(hù)。

通過上述多項(xiàng)性能對比得出橡膠減震器存在的問題：減震效果最差,使用壽命最短,而我們核島工作期間需要風(fēng)機(jī)隔離運(yùn)行18個(gè)月,特殊的工作環(huán)境。較長的工作時(shí)間。橡膠減震器極易在運(yùn)行期間出現(xiàn)老化松動(dòng)的問題,從而導(dǎo)致振動(dòng)升高。顯然橡膠減震器并不適合使用在核島RRM風(fēng)機(jī)上了。我們將在下文中對其進(jìn)行選型研究。

3 減振改造措施

3.1 設(shè)計(jì)新基礎(chǔ)框架

為了有效增加RRM基礎(chǔ)框架的剛性,我們重新設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)：設(shè)計(jì)的主要目的是提高整體剛度,并通過模態(tài)計(jì)算,確保底座的模態(tài)頻率明顯高于風(fēng)機(jī)干擾頻率,防止底座產(chǎn)生共振等現(xiàn)象。在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)用1CM鋼板焊接成型的工藝增加整體剛度。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 RRM新基礎(chǔ)框架

使用Solidworks對新方案進(jìn)行模態(tài)分析,其模態(tài)分析結(jié)果如圖6所示,RRM新底架的固有頻率表如表3所示。

名稱類型最小最大振幅1AMPRES:合成振幅(數(shù)值=175.2 Hz)1.523 89×10-50.132 707

圖6 RRM新底架模態(tài)分析結(jié)果圖

Fig.6 The modal analysis of RRM new base

表3 RRM新底架的固有頻率表

剛度=質(zhì)量×固有頻率2/2π(此剛度為模態(tài)分析下的理論估值,用于比較,非實(shí)際值)。

新支架質(zhì)量約為500 kg,一階固有頻率為175.2 Hz,剛度約為2 438 296 N/m。從模態(tài)分析的結(jié)果可知,新底架結(jié)構(gòu)最低剛度2 438 296 N/m遠(yuǎn)優(yōu)于RRM舊底架結(jié)構(gòu)剛度12 739 N/m。同時(shí)新支架的一階頻率175 Hz大大高于風(fēng)機(jī)干擾頻率49.5 Hz,不會(huì)發(fā)生共振情況。而二、三階頻率477.8 Hz、487.6 Hz也遠(yuǎn)高于舊基礎(chǔ)的118.8 Hz、211.6 Hz,體現(xiàn)了新基礎(chǔ)整體剛度的優(yōu)越性。

3.2 風(fēng)機(jī)減震器換型

現(xiàn)在市面上性能較為優(yōu)越的減震器類型有鋼絲繩減震器與氣墊減震器,理論上氣墊減震器減震效果最佳,但是考慮其維護(hù)頻率較高,平均一到兩年需要補(bǔ)氣,容易出現(xiàn)缺陷,不適合長期隔離運(yùn)行的核島內(nèi)工作環(huán)境。我們最終選擇了鋼絲繩減隔振裝置(鋼絲繩減震器)。

用鋼絲繩隔振器替換原有的橡膠減震器,可以較好地解決上述存在的問題：1)鋼絲繩隔振器具有良好的隔振吸振效果,能有效降低風(fēng)機(jī)振動(dòng)；2)鋼絲繩隔振器有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性,通過合理的選型,可使其使用壽命達(dá)到10 a以上,且期間不用維護(hù),大大減少了檢修維護(hù)成本,適合核島內(nèi)部的封閉工作環(huán)境。3)通過重心計(jì)算,可保證鋼絲繩隔振器的安裝布點(diǎn)對稱于整套設(shè)備的重心,這樣可使隔振器受力均衡,減少耦合振動(dòng)的產(chǎn)生,達(dá)到最佳的隔振效果。

鋼絲繩隔振器選型計(jì)算過程如下[3]：

按照鋼絲繩隔振器廠家提供的數(shù)據(jù),將隔振器固有頻率控制在4～5 Hz,可達(dá)到理想的隔振效果。相對原橡膠隔振器,對振動(dòng)響應(yīng)的抑制效率可提高20%～25%。預(yù)計(jì)改造后系統(tǒng)總重在1 939 kg左右,選用6只GGT270-108型鋼絲繩隔振器,隔振器外形尺寸如圖7所示。

圖7 GGT270-108型鋼絲繩隔振器外形簡圖

根據(jù)GGT270-108型鋼絲繩隔振器的垂向靜態(tài)性能曲線,如圖9所示,設(shè)備安裝時(shí)隔振器的單個(gè)承載力為：1939÷6×9.8=3 169 N,變形約為12.5 mm,此時(shí)計(jì)算出(單只)隔振器的靜剛度K=305 N/mm。

系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率可按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Fn——系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率,單位：Hz;

K——單個(gè)靜剛度,單位：N/m;

a——?jiǎng)觿偠认禂?shù),取1.5;

m——單只隔振器承載質(zhì)量,單位：kg;

計(jì)算結(jié)果,系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率fn=4.2 Hz,滿足設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率采用如下公式進(jìn)行近似計(jì)算：ηv=x/X0

(2)

式中：x——響應(yīng)振幅;

Χ0——激勵(lì)振幅；

ζ——阻尼比(取0.15);

λ——fi/fn；

fi——外激勵(lì)(干擾)頻率；

fn——系統(tǒng)固有頻率(峰值響應(yīng)頻率)。

公式(2)用圖形表示即為圖8所示的傳遞率曲線。

圖8 振動(dòng)傳遞率曲線

由上述公式及圖8,可以得出：

圖9 鋼絲繩隔振器靜態(tài)力學(xué)性能曲線

3.3 增加阻尼器

為了進(jìn)一步增加基礎(chǔ)的吸振能力,增加基礎(chǔ)長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性,我們在基礎(chǔ)框架上增加了4個(gè)特制阻尼器,其結(jié)構(gòu)為金屬網(wǎng)墊加螺旋彈簧組成的復(fù)合式干摩擦式阻尼。阻尼器在系統(tǒng)中起到的作用是通過電機(jī)和風(fēng)機(jī)在使用中產(chǎn)生的振動(dòng)位移帶動(dòng)阻尼器運(yùn)動(dòng),利用阻尼器中的金屬阻尼材料消耗運(yùn)動(dòng)能量,從而達(dá)到減震消能的目的,防止設(shè)備零部件在高頻率振動(dòng)條件下發(fā)生松動(dòng)移位等情況,進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)振動(dòng)值以及提高運(yùn)行穩(wěn)定性(阻尼器本身不起支持作用,風(fēng)機(jī)重量由6臺(tái)隔振器分擔(dān))。阻尼器結(jié)構(gòu)如圖10所示;阻尼安裝位置如圖11所示。

3.4 方案綜述

我們通過：1)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)底座,增加底座整體剛度;2)用鋼絲繩隔振器替換原有的橡膠隔振器,提高隔振效果,增加減振器使用壽命,減少維護(hù)成本;3)增加阻尼器,消耗振動(dòng)動(dòng)能。這三個(gè)方面對RRM風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。最終方案如圖12所示。

圖10 阻尼器結(jié)構(gòu)

圖11 阻尼器安裝位置

圖12 RRM基礎(chǔ)改造最終方案

4 基礎(chǔ)減振改造成果

2017年9月與2017年12月,我們根據(jù)RRM基礎(chǔ)改造研究方案實(shí)施了RRM基礎(chǔ)改造工作。改造完成后進(jìn)行設(shè)備再鑒定試驗(yàn),風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況得到了大幅改善,表4為基礎(chǔ)改造后風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況。我們可以直觀地看到改造后8臺(tái)風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)值皆保持在2.0 mm/s左右,遠(yuǎn)低于核電振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值5.5 mm/s。改造前振動(dòng)問題較為嚴(yán)重的1RRM001/002/004,2RRM001ZV四臺(tái)風(fēng)機(jī)振動(dòng)都得到了很好的控制,且運(yùn)行一段時(shí)間后振動(dòng)數(shù)值一直保持穩(wěn)定的情況,無異常波動(dòng)與缺陷發(fā)生。

實(shí)踐證明此次振動(dòng)改造研究方向正確,改進(jìn)措施具有很高的實(shí)用性。可以有效降低此類風(fēng)機(jī)的振動(dòng)高爆問題。并且新基礎(chǔ)增加了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、減少了檢修頻率與成本。

5 結(jié)論與前景

此次研究運(yùn)用振動(dòng)頻譜分析、基礎(chǔ)模態(tài)分析討論了設(shè)備可能存在的問題,并通過增加底座整體剛度、更換鋼絲繩隔振器、增加阻尼器,三個(gè)方向?qū)A(chǔ)進(jìn)行了改造。有效降低了RRM風(fēng)機(jī)的振動(dòng)值,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

應(yīng)用情況：方家山八臺(tái)RRM風(fēng)機(jī)均改造完成,振動(dòng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定優(yōu)秀。

前景：目前方家山機(jī)組DVK、DVN、DVF、EVR等風(fēng)機(jī)都存在基礎(chǔ)薄弱或振動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象,本次基礎(chǔ)減振研究將會(huì)推廣運(yùn)用到其他風(fēng)機(jī)上,優(yōu)化電站風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能,降低缺陷率,延長設(shè)備壽命,減少維護(hù)成本。同時(shí)核電領(lǐng)域其他電站風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也出現(xiàn)了振動(dòng)問題,基礎(chǔ)減震改造具有廣闊的應(yīng)用前景。

表4 RRM改造后風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況