控制棒驅動機構風機振動高原因分析及改進措施

張 健

(中核核電運行管理有限公司，浙江 314300)

0 引言

控制棒驅動機構控制(CRDM)，也叫控制棒驅動機構棒傳動機構，是核電站反應堆控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)的一種伺服機構?？刂瓢魝鲃訖C構的具體功能是用于提升、下降、保持或快插控制棒，以完成反應堆啟動、調(diào)節(jié)反應堆功率、維持功率、停止反應堆和事故情況下的快速停堆(又稱為事故快插、事故落棒)，它是核反應堆的重要動作部件，也是直接影響核反應堆正常運行和安全可靠的關鍵設備之一?？刂瓢趄寗訖C構通風系統(tǒng)(以下簡稱RRM系統(tǒng))，通風風機電機振動高相關問題作為方家山核電機組的十大技術問題，給核電站控制棒驅動機構(CRDM)安全穩(wěn)定運行帶來了極大安全隱患。

1 故障描述

方家山核電2臺機組，每臺機組配備4臺RRM風機，正常運行工況是2臺運行、2臺備用。自方家山1號、2號機組投入運行以來，主控經(jīng)常出現(xiàn)RRM風機電機振動高報警，經(jīng)過查看，在線監(jiān)測振動值均超過5.5 mm/s。由于設備所處位置在核反應堆廠房，所以出現(xiàn)振動高報警后，主控就及時切換至備用電機運行、振動高報警電機作為緊急備用電機。當電機出現(xiàn)振動高報警停機后，運行的電機就失去備用機，給正常運行機組的安全穩(wěn)定運行帶來隱患。RRM系統(tǒng)中設備共報出缺陷46項，其中37項與通風風機電機振動高相關，振動高問題占RRM系統(tǒng)缺陷總數(shù)的80%。通風風機電機振動高已成為RRM缺陷大概率事件。具體典型故障類型列舉(見表1)。

表1 方家山機組RRM系統(tǒng)振動相關典型缺陷

2 電機振動高原因分析及故障定位

為了查找故障原因，大修期間對方家山1號、2號機組RRM風機電機停運前進行的在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示與實際振動值測量的數(shù)值進行了對比(見表2～表3)。通過表2、表3可以看出電機KIC顯示值與在線測量值所測數(shù)據(jù)基本一致，而所有電機在線測量位置與離線測量位置所測數(shù)據(jù)都略有偏差，但偏差都較小，這說明離線位置所測振動數(shù)據(jù)與在線所測振動數(shù)據(jù)具有一致性，機組運行期間在線測量振動值反映了電機真實的振動值。

表2 方家山1號機組RRM風機振動值

表3 方家山2號機組RRM風機振動值

根據(jù)現(xiàn)場實際振動測量數(shù)據(jù)，對方家山1號、2號機組的8臺風機電機的振動頻譜進行分析(見圖1～圖2)，分析發(fā)現(xiàn)8臺風機電機均以工頻振動為主，有較豐富的諧波分量。從頻譜分布情況可以看出，振動以不平衡激振力為主，同時，豐富的諧波表明設備基礎存在剛性不足的問題，導致振動幅值增大。

圖1 頻譜分析

圖2 頻譜分析

因此，查找風機電機振動高的故障原因應從引起不平衡的激振力、導致設備基礎剛性不足兩方面入手。根據(jù)經(jīng)驗，引起此類風機不平衡激振力的來源通常有“轉子質量不平衡”、“聯(lián)軸器角不對中”、“轉子軸彎曲”等；導致設備基礎剛性不足的原因通常有“地腳螺栓松動”、“基礎框架剛度偏差”等。

為了進一步查找故障原因，在方家山1號、2號機組大修期間對RRM風機電機、風機基礎、風葉進行了仔細檢查與測量。

2.1 電動機本體

方家山1號、2號機組大修期間對兩個機組的8臺RRM風機電機進行了解體檢查。1RRM001ZV風機電機和1RRM003ZV風機電機均存在轉子動平衡超標現(xiàn)象，且兩臺電機負荷側大端蓋存在橢圓現(xiàn)象。對2RRM003ZV風機電機進行解體，解體過程中發(fā)現(xiàn)電機負荷側轉子軸與電機內(nèi)端蓋有摩擦跡象，造成電機軸承內(nèi)油脂和定子端部有過熱發(fā)黑；對電機轉子進行彎曲度檢查，發(fā)現(xiàn)轉子彎曲度超標。對2RRM004ZV風機電機進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)油蓋止口外徑與端蓋內(nèi)徑相差1 mm；對電機轉子進行彎曲度檢查，發(fā)現(xiàn)轉子彎曲度超標，已不具備繼續(xù)使用的條件。

從對電機的檢測結果來看，電機普遍存在軸彎曲及質量不平衡的問題，是導致工頻振動的激振源。

根據(jù)以上檢查分析情況判定，電機本身問題是引起振動高的主要原因。

2.2 風機組基礎

通過對風機組基礎檢查發(fā)現(xiàn)，基礎存在以下5點不足之處：

(1) 橡膠隔振器由于使用壽命一般在3年左右，超過使用壽命后存在材料老化現(xiàn)象，其隔振性能降低。

(2) 橡膠隔振器剛度偏軟，隔振未達到最佳效果。

(3) 進風風機的槽鋼底座剛性較弱，容易產(chǎn)生振動(或共振)等現(xiàn)象。

(4) 按照整體設備重量及橡膠隔振器的剛度計算，系統(tǒng)固有頻率約為11 Hz左右，頻率偏高，隔振效果不佳。

(5) 橡膠隔振器的布點位置不合理，存在較大偏心，振動時會產(chǎn)生耦合振動，不利于振動響應控制。

根據(jù)以上檢查分析情況可以判定，風機組基礎問題也是引起振動高的原因之一。

2.3 風葉

大修期間對1號、2號機組8臺風機的風葉進行動平衡檢測，不平衡量均在合格范圍內(nèi)，風機風葉不存在質量不平衡問題，不是導致電機振動高的原因。

2.4 故障定位

針對方家山1號、2號機組RRM風機組所使用的8臺HY280S-2型電機檢查發(fā)現(xiàn)有4臺電機轉子彎曲不平衡，有1臺電機大端蓋橢圓，有兩臺電機存在內(nèi)小端蓋與轉軸配合精度不夠，在運行期間發(fā)生磨損過熱，說明方家山1號、2號機組使用的8臺HY280S-2型電機存在共性問題。

現(xiàn)場使用的RRM風機基礎，也普遍存在橡膠隔振器老化、基礎框架剛性不足的共性缺陷。

通過方家山1號、2號機組大修窗口對8臺RRM風機的電機、風機基礎、風葉、振動探頭的檢查，可以得出引起RRM風機組振動大的根本原因是：電動機轉子彎曲及質量不平衡，當風機風葉裝在電機軸伸端后引起受力不平衡，產(chǎn)生較大振動。同時，由于整個風機基礎剛性不足，疊加產(chǎn)生振動幅值，從而引起RRM風機組振動大。

3 改進措施及改進方案

3.1 對現(xiàn)場使用電機進行換型

根據(jù)現(xiàn)場安裝方式及電機結構，經(jīng)過大量市場調(diào)研及品牌品控研究后發(fā)現(xiàn)型號為3～MOT1CV2280A 1LE1512DA021JA4-ZUC1608/181766102電機安裝方式、中心高、電機地腳孔距、電機結構等關鍵數(shù)據(jù)均適合在方家山RRM風機使用，只需將負荷側大端蓋按照方家山RRM風機的法蘭面尺寸加工即可。經(jīng)與技術部門討論后，認為該公司生產(chǎn)的電機滿足方家山RRM風機電機的現(xiàn)場使用條件。最終選擇由型號3～MOT1CV2280A 1LE1512DA021JA4-ZUC1608/181766102電機替換YH280S-2電機。

3.2 風機基礎換型改造

針對風機機組底座存在的問題，項目小組經(jīng)過選型計算和試驗論證來確定改造方案，具體過程如下：

3.2.1 底座結構(剛性)改造

通過模態(tài)計算，確保底座的模態(tài)頻率明顯高于風機干擾頻率，防止底座產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在框架結構設計時，采用鋼板焊接成型的工藝增加整體剛度。對現(xiàn)有底座和新方案底座做了模態(tài)分析，前6階數(shù)據(jù)如下表4，從模態(tài)上可以看出，新方案底座的一階模態(tài)和二階模態(tài)明顯高于現(xiàn)有底座。底座結構設計(見圖3)。

表4 前6階數(shù)據(jù)

圖3 底座結構設計圖(含隔振器)

3.2.2 利用鋼絲繩隔振技術提高系統(tǒng)的隔振效果

橡膠隔振器在使用時的主要問題是：(1)易老化，隔振性能降低，使用壽命一般在3年左右。(2)按照現(xiàn)有的整體設備重量及橡膠隔振器的剛度計算，系統(tǒng)固有頻率約為11 Hz左右，頻率偏高，隔振效果不是很理想。(3)橡膠隔振器的布點位置存在明顯不合理現(xiàn)象，存在偏心現(xiàn)象，振動時會產(chǎn)生振動耦合，不利于振動響應控制。

見圖4，鋼絲繩隔振器替換原有的橡膠隔振器，可以較好的解決上述存在的問題：(1)鋼絲繩隔振器有優(yōu)良的環(huán)境適應性及可靠性，通過合理的選型，可使其使用壽命達到8～10年以上，減少維護的工作量。(2)按照以往風機的改造經(jīng)驗及鋼絲繩隔振器的力學特性，將系統(tǒng)的固有頻率控制在4～5 Hz之間，可達到理想的隔振效果。相對原橡膠隔振器，對振動響應的抑制效率可提高20%～25%。(3)通過重心計算，可保證鋼絲繩隔振器的安裝布點對稱于整套設備的重心，這樣可使隔振器受力均衡，減少耦合振動的產(chǎn)生，達到最佳的隔振效果。

圖4 橡膠隔振器改造成鋼絲繩隔振器

鋼絲繩隔振器選型計算過程如下：

經(jīng)改造后，系統(tǒng)總重在4 700 kg左右，選用8只GGT1100-216型鋼絲繩隔振器，隔振器外形尺寸(見圖5)。

圖5 鋼絲繩隔振器外形簡圖

根據(jù)GGT1100-216型鋼絲繩隔振器的垂向靜態(tài)性能曲線(見圖6)，設備安裝時隔振器的單個承載力為：4 700÷8×9.8=5 758 N，變形約為10 mm，此時計算出(單只)隔振器的靜剛度K=266 N/mm。

圖6 鋼絲繩隔振器靜態(tài)力學性能曲線

系統(tǒng)峰值響應頻率可按如下公式進行計算：

式中：fn為系統(tǒng)峰值響應頻率(Hz)；K為單個靜剛度(N/m)；a為動剛度系數(shù)(取1.5)；m為單只隔振器承載質量(kg)。

計算結果，系統(tǒng)峰值響應頻率fn=4.2 Hz，滿足設計要求。

系統(tǒng)振動傳遞率采用如下公式進行近似計算：

式中：x為響應振幅；Χ0為激勵振幅；ζ為阻尼比(取0.15)；λ為fi/fn；fi為外激勵(干擾)頻率；fn為系統(tǒng)固有頻率(峰值響應頻率)。

公式(2)用圖形表示即為圖7所示的傳遞率曲線。

由上述公式及圖7，可以得出：

圖7 振動傳遞率曲線

3.2.3 模態(tài)分析

整體設備的幾何模型(見圖8)。

圖8 整體設備的幾何模型

整體設備的模態(tài)計算結果(見表5)。

表5 詳細分析結果

從上述計算結果可知：

(1) 改造后底座的模態(tài)頻率明顯高于原底座，剛性得到了加強，可降低其振動響應。

(2) 改造后整體設備的前6階模態(tài)頻率低于原整體設備的前6階模態(tài)頻率，可顯著提高系統(tǒng)的隔振效果。

經(jīng)過計算和反復的試驗論證確定了：

(1) 采用新設計風機底座，確保底座的模態(tài)頻率明顯高于風機干擾頻率，防止底座產(chǎn)生共振等現(xiàn)象。采用鋼板焊接成型的工藝增加整體剛度。

(2) 用鋼絲繩隔振器替換原有的橡膠隔振器，提高隔振效果，提高隔振器使用壽命。

(3) 增加阻尼器，通過電機和風機在使用中產(chǎn)生的振動位移帶動阻尼器運動，利用阻尼器中的特殊阻尼材料消耗運動能量，從而達到減振消能的目的。

4 改進后的運行效果

經(jīng)理論分析及對整體設備模擬仿真計算，采用的設計方案較為合理，且技術途徑可行。方案實施后，滿足預期的總體技術要求。

利用機組換料大修時機，對兩臺機組8臺風機機組的基礎按照上述的方案進行實施改造。改造后的實際效果，見圖9。

圖9 基礎改造后的效果圖

通過對探頭重新標定，保證了測振探頭的準確性。對電動機換型，使電機質量得以提升，保證了電機性能穩(wěn)定。風機基礎改造，使其剛性得到了加強，有效降低其振動響應并提高了隔振效果。RRM風機組在改造后，設備運行至今(36個月)未出現(xiàn)過因RRM風機電機振動高觸發(fā)報警。兩臺機組的8臺RRM風機振動區(qū)間在1.1～2.6 mm/s，均在標準5.5 mm/s以下，而且非常穩(wěn)定。

5 結語

通過對方家山RRM電機振動高的原因分析，并通過理論分析及對整體設備模擬仿真計算，找到了導致RRM電機振動高的真實原因。并提出了對測振探頭的檢查標定，電動機的改造換型，使電機質量得以提升，保證了電機性能穩(wěn)定。風機基礎的改造換型，使其剛性得到了加強，有效降低其振動響應并提高了隔振效果。上述措施的實施有效解除了主控頻繁收到振動高報警信號。保證了RRM系統(tǒng)的長期正常穩(wěn)定運行，進而對提高整個機組的安全性、經(jīng)濟性提供了重要保障。

同時，通過此次對機組十大技術問題的解決過程，使檢修人員對電機振動故障有了更加深入的認識，對今后分析、處理“電機振動高”故障具有十分重要的參考借鑒價值。