停冷泵振動(dòng)高原因分析及處理

周 懿，靳江濤，黃勇波

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

1 停冷泵

1.1 停堆冷卻系統(tǒng)

核電廠停堆冷卻系統(tǒng)（SDC SYSTEM）（簡(jiǎn)稱停冷系統(tǒng)）是核電廠非常重要的系統(tǒng)，兼?zhèn)浒踩到y(tǒng)和工藝系統(tǒng)兩大功能，這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)置主要有以下3 個(gè)目的：

（1）安全性能。在異常工況下（如失去蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水等）能夠?qū)χ飨到y(tǒng)由熱態(tài)零功率進(jìn)行冷卻；在發(fā)生LOCA（Loss of Coolant Accident，失水事故）事故后能夠?qū)χ飨到y(tǒng)的完整回路進(jìn)行冷卻；在發(fā)生DBE（Design Basis Earthquake，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震）時(shí)，保持主系統(tǒng)的完整性。

（2）系統(tǒng)功能。反應(yīng)堆因長(zhǎng)期停運(yùn)以進(jìn)行必要檢修時(shí)，由于堆芯內(nèi)的裂變反應(yīng)和衰變熱仍然存在，所以需要一個(gè)熱阱將堆芯余熱導(dǎo)出并長(zhǎng)期維持主熱傳輸系統(tǒng)處于低溫狀態(tài)；檢修蒸汽發(fā)生器一次側(cè)或者主泵軸封時(shí)，則需要控制主系統(tǒng)的水位至檢修水位并維修燃料冷卻；提供對(duì)主系統(tǒng)的充水、疏水和低液位運(yùn)行時(shí)控制液位。

（3）工藝流程圖。停堆冷卻系統(tǒng)的流程如圖1 所示。

1.2 停堆冷卻泵

停堆冷卻泵（簡(jiǎn)稱停冷泵）是停堆冷卻系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。停冷泵是立式離心泵，有1 根進(jìn)口管線和1 根出口管線。每臺(tái)泵能在壓頭為73.8 m 時(shí)提供182 L/s 的流量。泵的機(jī)械密封由兩級(jí)減壓的機(jī)械密封和一級(jí)備用密封構(gòu)成。每級(jí)機(jī)械密封的運(yùn)行壓力大約是正常壓力的一半，但如果一級(jí)密封破裂，另1 個(gè)密封將運(yùn)行在系統(tǒng)全壓力下，直到停泵修理。備用密封的功能是防止外密封失效時(shí)，大量放射性物質(zhì)泄漏到反應(yīng)堆廠房外。

圖1 停堆冷卻工藝流程

2 停冷泵振動(dòng)高

2.1 事件過程

某核電廠大修后期，主系統(tǒng)升溫升壓過程中，在主系統(tǒng)壓力達(dá)到3 MPa 時(shí)，停冷泵兩個(gè)方向的軸振動(dòng)出現(xiàn)隨著主系統(tǒng)壓力升高而升高的情況，并在主系統(tǒng)壓力達(dá)到6 MPa 左右時(shí)，泵的軸振動(dòng)達(dá)到報(bào)警值0.182 mm。隨著主系統(tǒng)降壓，泵的軸振動(dòng)也隨之下降，泵與電機(jī)的其他各項(xiàng)參數(shù)未見明顯異常，如圖2 所示。

圖2 相關(guān)運(yùn)行參數(shù)

停冷泵在機(jī)組升溫升壓期間振動(dòng)高報(bào)，造成停冷泵無法正常運(yùn)行，直接影響了機(jī)組的升溫升壓操作，對(duì)大修進(jìn)度造成影響，導(dǎo)致電廠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 檢修歷史

該臺(tái)冷停泵在大修之前整體更換了集裝式機(jī)械密封，而后進(jìn)行了維修后試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)2 h。試驗(yàn)期間，主系統(tǒng)壓力保持1 MPa 左右，泵各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，振動(dòng)值在合格范圍內(nèi)，試驗(yàn)后該泵一直保持1 MPa 壓力運(yùn)行。

3 振動(dòng)高原因分析

3.1 停冷泵軸受力分析

本次檢修沒有對(duì)泵進(jìn)行徹底解體檢修，僅更換機(jī)械密封等易損件。機(jī)械密封更換時(shí)，需要整體拆裝機(jī)械密封和聯(lián)軸器。機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)、安裝方式和受力不會(huì)引起停冷泵的振動(dòng)隨著系統(tǒng)壓力的升高而升高，因此最大可能是由于聯(lián)軸器的安裝不當(dāng)造成的。聯(lián)軸器是由泵側(cè)靠背輪、中間短節(jié)和電機(jī)側(cè)靠背輪組成，如圖3 所示。

圖3 停冷泵聯(lián)軸器

結(jié)合停冷泵下推力瓦的溫度，分析停冷泵的受力。

泵在系統(tǒng)壓力較低狀態(tài)下，泵軸的軸向力是向下的。當(dāng)泵側(cè)靠背輪錐孔與錐形泵軸裝配緊力不夠時(shí)，泵軸與靠背輪存在間隙，拉力作用下泵軸是朝更直的方向形變。軸的撓度變小使得軸心軌跡的圓圈更小，這樣測(cè)量到的軸振動(dòng)也會(huì)小。隨著系統(tǒng)壓力升高，泵軸的軸向力從向下變?yōu)橄蛏隙彝皆黾印４藭r(shí)如果泵側(cè)靠背輪與軸的緊力不夠?qū)е螺S系有拐點(diǎn)，軸系撓度隨著軸向推力增大，軸心軌跡的圓圈變大，使測(cè)量的軸振1 倍頻增大，且變形量隨著軸向力的上升而增加，軸系變形越大則軸振動(dòng)越大。

此外軸系為剛性連接的方式，泵側(cè)靠背輪錐孔裝配預(yù)緊力不夠直接會(huì)降低軸系的剛度。軸向推力會(huì)加大角度不對(duì)中，會(huì)增大軸系的撓度，使測(cè)量到的軸振動(dòng)增加。

3.2 振動(dòng)頻譜分析

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了軸振動(dòng)測(cè)量分析，在系統(tǒng)低壓力下振動(dòng)表象為較小的1 倍頻，隨著系統(tǒng)壓力上升，振動(dòng)表現(xiàn)為1 倍頻上升，且X、Y 兩個(gè)方向的1 倍頻同步上升，如圖4 所示，直接說明了軸系的撓曲變形由小到大的過程。

3.3 檢修過程分析

泵側(cè)靠背輪的安裝，如圖5 所示。其安裝的預(yù)緊力B（B=A+0.406 mm，允許偏差為+0.051 mm，A 為專用工具定位盤與泵軸頭貼緊后，定位盤與泵靠背輪端面的距離）是參照值，與A相關(guān)尺寸測(cè)量專用工具的精度和測(cè)量時(shí)接觸面的狀態(tài)、維修過程的控制有直接關(guān)系，工作組第1 次安裝靠背輪的安裝B值是4.52 mm，重新測(cè)量調(diào)整后的B 值是4.65 mm，增加緊力0.13 mm，同時(shí)修正中間軸的形位公差，保證軸系的垂直度。重新啟動(dòng)冷泵，在系統(tǒng)壓力增加時(shí)，泵振動(dòng)值保持在良好狀態(tài)。因此可以推斷泵側(cè)靠背輪的安裝緊力與泵的振動(dòng)存在因果關(guān)系。

3.4 最終原因分析

根據(jù)對(duì)設(shè)備受力、振動(dòng)頻譜圖和檢修過程的分析，造成停冷泵振動(dòng)高的原因做如下結(jié)論：

（1）直接原因：泵側(cè)靠背輪的安裝緊力不夠，系統(tǒng)升壓后導(dǎo)致泵軸系變形，撓度增大，從而引起軸振動(dòng)高。

（2）根本原因：對(duì)泵靠背輪的安裝過程要求不具體，關(guān)鍵參數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致靠背輪預(yù)緊力安裝不夠或靠背輪安裝時(shí)存在角度偏差。

（3）促成原因：工作組對(duì)靠背輪安裝的預(yù)緊力測(cè)量和靠背輪的安裝存在認(rèn)知不足，工作過程中標(biāo)準(zhǔn)不夠高。

4 處理措施

根據(jù)對(duì)上述原因的剖析，需要細(xì)化、優(yōu)化維修程序，嚴(yán)格控制維修過程，保證靠背輪的安裝緊力滿足要求，同時(shí)也要確保整個(gè)軸系的垂直度，才能避免出現(xiàn)泵振動(dòng)高的缺陷，詳細(xì)的改進(jìn)措施主要從以下5 方面控制：

（1）增加測(cè)量靠背輪拆裝前預(yù)緊力（B 值），作為回裝靠背輪時(shí)的參考值。靠背輪安裝的預(yù)緊力B（B=A+0.406 mm，允許偏差為+0.051 mm）是參照值，與A 的測(cè)量精度以及測(cè)量時(shí)接觸面的狀態(tài)有直接關(guān)系，因此測(cè)量值A(chǔ) 不準(zhǔn)確，會(huì)影響靠背輪的安裝緊力。維修程序中缺少修前預(yù)緊力的數(shù)據(jù)，即上面提到的B 值，重新安裝靠背輪的數(shù)據(jù)缺乏歷史參考，導(dǎo)致變量B 的最后安裝值無法確認(rèn)靠背輪達(dá)到可靠的緊力。

（2）優(yōu)化測(cè)量工具和專用工具。測(cè)量A 值的量具需要在維修程序中明確規(guī)定，專用工具定位盤要保證其測(cè)量面不存在瓢偏，從而保證A 值測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（3）在維修程序中增加維修過程控制步驟。在保證測(cè)量工具的前提下，測(cè)量中可以采取2 個(gè)人獨(dú)自測(cè)量相互驗(yàn)證的方法，同時(shí)要多點(diǎn)、多次測(cè)量，盡可能避免人為因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

（4）在維修程序中增加靠背輪上下法蘭面跳動(dòng)值的測(cè)量。保證靠背輪的安裝不存在角度偏差，在靠背輪和中間軸聯(lián)接后，需要再次確認(rèn)靠背輪上下法蘭面的跳動(dòng)值（下法蘭面是探頭測(cè)量位置）。

（5）在維修程序中增加中間軸垂直度的檢查，保證整個(gè)軸系不存在拐點(diǎn)。

5 結(jié)束語

通過嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致地分析停冷泵的結(jié)構(gòu)、受力和維修過程，查找到停冷泵振動(dòng)高的原因。在檢修過程中有效控制泵側(cè)錐形靠背輪的緊力，并檢查靠背輪法蘭的跳動(dòng)值和中間軸的垂直度，從而解決了檢修過程引入的振動(dòng)高缺陷，保證了停冷泵的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 X、Y 向頻譜（系統(tǒng)壓力為6 MPa）

圖5 泵靠背輪安裝