核電站重要水泵電機(jī)振動異常原因分析及對策

趙鵬

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司,黑龍江 哈爾濱150000)

核電站重要水泵電機(jī)就是人們常說的SEC 泵,其作用主要是進(jìn)行海水冷卻循環(huán),為核島提供冷水水源,可以理解為是一個(gè)安全系統(tǒng),即便是在核電站反應(yīng)堆停止的時(shí)候,重要水泵電機(jī)也是持續(xù)保持運(yùn)轉(zhuǎn)的,如果該設(shè)備停止運(yùn)行,將會給核電站造成巨大的損失,甚至造成嚴(yán)重災(zāi)難。而振動情況則是評價(jià)核電站重要水泵電機(jī)運(yùn)行可靠度的一個(gè)重要指標(biāo),由此可見,對電機(jī)泵振動異常原因進(jìn)行分析并對該類危害加以控制解決,是十分有必要的。

1 重要水泵電機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

核電站的重要水泵電機(jī)屬于大型立式的單級、單吸離心泵設(shè)備,泵機(jī)的吸入口是垂直向下設(shè)置的,吐出口則是水平伸出的,為了能夠具備足夠的抗壓能力,泵本體還進(jìn)行必要的密封處理,同時(shí)配備有油脂潤滑的滾動軸承,聯(lián)軸器構(gòu)件為膜片,采用非剛性連接方法。泵組采用雙基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),電機(jī)與電機(jī)泵分別位于不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),其中電機(jī)的支架安裝基礎(chǔ)相對較高,泵本體則安裝在較低的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部位。這種結(jié)構(gòu)設(shè)置方法,大大提高了立式泵的自振頻率,確保了機(jī)組運(yùn)行的有效性。另外,重要電機(jī)泵的泵蓋也安裝在泵體上,二者形成液體流動腔體,共同承載水泵運(yùn)行壓力。其中泵蓋上還設(shè)置有密封腔,并連接有軸承支架,用以支撐轉(zhuǎn)子,一個(gè)軸承支架包括兩個(gè)軸承腔,泵壓水室的結(jié)構(gòu)為雙蝸殼形式,可以最大程度平衡徑向力。具體的重要水泵電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖如圖1、圖2 所示。

圖1 SEC 泵外形圖

圖2 SEC 泵結(jié)構(gòu)圖

2 核電站重要水泵電機(jī)振動異常的特征

導(dǎo)致重要水泵電機(jī)出現(xiàn)振動的原因是多方面的,為了能夠有針對性地對這些原因加以分析,就需要采取專業(yè)試驗(yàn)方法對設(shè)備進(jìn)行必要檢驗(yàn),尤其是對于剛出場的新設(shè)備而言,更應(yīng)該嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn),防止殘次品投入市場。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料顯示,核電站重要水泵電機(jī)振動異常的特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

其一,水泵在大流量工況的時(shí)候,運(yùn)行通常正常,而流量較小的時(shí)候反而會存在振動異常問題。實(shí)際就某核電站的一臺重要水泵電機(jī)進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)其在大流量條件下,設(shè)備性能符合要求,運(yùn)行效率可靠,且噪聲和振動也都在允許范圍內(nèi),但是當(dāng)小流量運(yùn)行的時(shí)候,其他方面都符合要求,振動狀態(tài)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。在泵機(jī)軸承支架的軸承位置進(jìn)行檢測,得到設(shè)備振動速度最大能達(dá)到4.0mm/s,與此同時(shí),還測量德大歐泵機(jī)入口處管路的振動數(shù)值,為3.5-4.1mm/s,還有電機(jī)支座位置的振動數(shù)值,測得為3.0mm/s。可見小流量工況下電機(jī)水泵振速更加明顯。其二,泵機(jī)在同一工況條件下,如果運(yùn)行方向不同,其振動值也會表現(xiàn)出一定差異。檢測分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)處于小流量工況狀態(tài)的時(shí)候,測量泵軸承是振動數(shù)據(jù),能夠得出,不同圓周方向的振動值各不相同,且測量結(jié)果具有重復(fù)性。其三,在專業(yè)團(tuán)隊(duì)人員的實(shí)驗(yàn)下還發(fā)現(xiàn),核電站重要電機(jī)的振動頻譜同樣具有一定規(guī)律特征:比如頻率與泵的葉頻有關(guān)聯(lián)關(guān)系,當(dāng)頻率與葉頻一致的時(shí)候,一般就是振動值達(dá)到最高的時(shí)候,而且泵機(jī)系統(tǒng)還會存在和葉頻較為接近的整體模態(tài),容易造成系統(tǒng)共振現(xiàn)象。再比如頻率與軸頻以及其倍頻也存在一定關(guān)聯(lián),一般在二倍頻位置頻譜出現(xiàn)峰值的幾率較高。此外,實(shí)驗(yàn)中振動頻譜也會夾雜一些其它頻譜成分,實(shí)驗(yàn)后分析發(fā)現(xiàn),泵機(jī)在多頻率狀態(tài)下,產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)模態(tài)共振,其峰值對應(yīng)的頻率,來源比較廣泛,包括蝸殼以及葉輪等。

3 針對核電站重要水泵電機(jī)振動問題所采取的處理措施

常見的引起重要水泵電機(jī)振動問題的原因比如有驅(qū)動電機(jī)軸干涉影響、高速旋轉(zhuǎn)部件過多,導(dǎo)致設(shè)備動能不平衡、或者流體作用影響等。有時(shí)候還有可能多種原因同時(shí)作用,振動情況較為復(fù)雜,因此,相關(guān)設(shè)備檢測維護(hù)人員需要從多角度出發(fā),具體情況具體分析,對可能引發(fā)振動異常的原因進(jìn)行綜合性考量,然后有針對性采取處理措施,具體而言可以從以下幾個(gè)方面入手:

3.1 試驗(yàn)臺架振動處理

振動臺架的振動產(chǎn)生幾率較大,而且一般都和試驗(yàn)管路一同發(fā)生振動,所以解決問題的時(shí)候也需要將二者同時(shí)進(jìn)行處理。具體方法如下:可以在泵腳的支撐位置增加加強(qiáng)筋數(shù)量,并在試試驗(yàn)管路位置增加固定支撐,以增強(qiáng)管路的剛性性能。同時(shí)還可以在出口管路部位增加使用膨脹節(jié),以達(dá)到消除泵體所受管道作用的效果?？紤]到試驗(yàn)管路內(nèi)還有可能因?yàn)榇嬖跉怏w而引發(fā)振動,所以可以在管路最高位置增加放氣閥,同時(shí),又考慮泵入口處流體回流影響,在泵進(jìn)口管路處可以增加幾塊呈十字型分布的導(dǎo)流板。通過上述一系列措施,能夠改善泵的試驗(yàn)條件,消除了試驗(yàn)管路及試驗(yàn)臺架的振動,泵的振動雖有一定的改善,但仍不滿足要求。在排除了外部試驗(yàn)條件對泵振動的影響后,需從泵結(jié)構(gòu)查找原因。

3.2 泵結(jié)構(gòu)振動處理

頻譜分析揭示通過改變?nèi)~頻來改善泵振動情況,但改變?nèi)~頻需對泵的葉片數(shù)或者轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,不符合實(shí)際情況。通過查閱資料,對比同類泵的結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)數(shù)據(jù),并對泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,認(rèn)為與同類泵相比,泵軸承體略顯單薄,應(yīng)加強(qiáng)軸承體剛度,改進(jìn)泵振動狀況。隨后,對軸承體重新設(shè)計(jì),通過增加軸承體的厚度和設(shè)置加強(qiáng)筋,增強(qiáng)軸承體剛度,泵在更換軸承體后進(jìn)行試驗(yàn),振動值明顯減小,振動速度下降到2.7mm/s,滿足要求。圖3 所示為軸承體修改前后的對比圖。

圖3 軸承支架對比圖

3.3 制造偏差處理

將振動異常的泵進(jìn)行解體,對泵轉(zhuǎn)子重新做動平衡試驗(yàn),動平衡結(jié)果證明滿足要求；檢查泵體密封環(huán)、泵蓋密封環(huán)的間隙,間隙值也符合技術(shù)要求,且間隙分布均勻；再對泵體進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)由于鑄造偏差,泵體的隔板端部與隔舌端部不對稱,同時(shí)隔板端部延伸至基圓內(nèi),造成葉輪與蝸殼之間間隙減小,隔舌端部的鑄造偏差也造成了隔舌角度變化。為消除泵體鑄造偏差的影響,以泵體基圓為基準(zhǔn),對隔板和隔舌進(jìn)行修整,使隔板端部與隔舌端部對稱,打磨隔板和隔舌端部,使其光滑過渡,以符合設(shè)計(jì)要求。修整泵體后,重新裝配進(jìn)行試驗(yàn),在小流量工況下,泵的振動明顯減小。

4 結(jié)論

總而言之,重要水泵電機(jī)作為核電站的重要設(shè)備,其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)上文所述可以總結(jié)得出,改善水泵電機(jī)振動問題,應(yīng)考慮最小流量系統(tǒng)合理選型、最小流量閥以及降壓孔板的合理利用、控制泵組性能曲線走勢,應(yīng)保證斜率要求、泵組設(shè)計(jì)方面,要充分考慮現(xiàn)場電網(wǎng)頻率實(shí)際條件和潛在風(fēng)險(xiǎn)。以上這些經(jīng)驗(yàn),日后可以為其它核電項(xiàng)目主給水泵組在設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行方面提供參考。