某核電站海水輔助冷卻水泵非穩(wěn)定流激振問題分析與處理

羅忠發(fā) 孫愛東

摘? 要：離心泵內(nèi)部及入口流場穩(wěn)定性對泵組十分重要，非穩(wěn)定流會引起泵組振動偏大，對應(yīng)的從非穩(wěn)定流影響方面進(jìn)行泵組降振的研究與實踐凸顯了其重要性。本文從泵入口流體初始狀態(tài)、泵吸入口形式、泵內(nèi)流場、小流量工況、部件表面粗糙度、口環(huán)間隙等方面分析了非穩(wěn)定流對泵組振動的影響，并提出現(xiàn)場可行的處理措施，最終降低了泵組振動，使設(shè)備安全可靠運行，并為以后其他泵組振動處理提供了實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：核電站? 泵? 非穩(wěn)定流? 振動

中圖分類號：P47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（a）-0049-06

Analysis and treatment of unsteady flow excitation of seawater auxiliary cooling pump in nuclear power station

LUO Zhongfa? SUN Aidong

（Taishan Nuclear Power Joint Venture Co.， Ltd.， Jiangmen， Guangdong Province， 529200 China）

Abstract： The stability of flow field inside and at the inlet of centrifugal pump is very important to the pump set. The unsteady flow will cause the vibration of the pump set to be too large. The research and practice of vibration reduction of the pump set from the influence of unsteady flow highlights its importance. This paper analyzes the influence of unsteady flow on the vibration of pump unit from the initial state of fluid at pump inlet， the form of pump suction port， the flow field in the pump， small flow condition， surface roughness of components， gap between port and ring， etc.， and puts forward feasible treatment measures on site， so as to reduce the vibration of pump unit and ensure the safe and reliable operation of the equipment， which provides practical experience for the vibration treatment of other pump units in the future.Flow field stability of inside and suction is very important to centrifugal pump， while unsteady flow could cause high vibration. So unsteady flow analysis shows it's importance in the study and practice of pump vibration reduce. The paper analysed the influences of unsteady flow to pump vibration through initial state of suction flow， suction structure， inside flow field， low flowrate condition， surface roughness and wear ring clearance， presented feasible measures on site to finally reduce the pump vibration， which provided the practical experences to solve other pump bibration problems.

Key Words： Nuclear power station;? Pump;? Unsteady flow;? Vibration

大型立式泵具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，在核電站廣泛應(yīng)用。但相對臥式泵而言，立式泵高度較高，軸系較長，水平剛度較差，轉(zhuǎn)子支撐穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)振動問題。引起泵振動的主要原因有軸系不對中、動不平衡、動靜摩擦、軸承故障、基礎(chǔ)剛度差、共振、汽蝕、非穩(wěn)定流激振等。其中非穩(wěn)流引起的泵組振動偏大在現(xiàn)場實際較少進(jìn)行分析，容易被忽視，對應(yīng)從非穩(wěn)流激振方面進(jìn)行降低振動的實踐相對較少。

以某核電廠輔助冷卻水系統(tǒng)（SEN）為例。SEN系統(tǒng)作為冷源，為常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)（SRI）、凝汽器真空系統(tǒng)（CVI）提供海水。SEN系統(tǒng)有兩列泵組，每列由2x100%的輔助冷卻水泵供水（正常運行時每列各一臺投運，一臺備用）。2020年3月，SEN系統(tǒng)一臺輔助冷卻水泵（1SEN1220PO）在定期測振時發(fā)現(xiàn)泵軸承室驅(qū)動端水平方向振動超報警值。現(xiàn)場通過調(diào)整入口隔板角度、調(diào)整電機支架平面度等方法降低了泵組振動，保證了設(shè)備運行可靠性。由于此泵振動問題實際處理過程極具典型意義，對后續(xù)工作具有參考價值，本文將其作為案例從非穩(wěn)定流激振角度對泵組振動進(jìn)行分析及處理。

1? 泵組振動現(xiàn)象

1.1 泵組結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

輔助冷卻水泵為單級、單吸立式離心泵，吸入口方向豎直向下，出口方向水平方向，結(jié)構(gòu)見圖1。泵殼為徑向剖分，采用泵體上的三個支腳支撐。泵體和泵蓋之間采用密封圈密封。泵的吸入與吐出口法蘭整體鑄造在泵體上。泵與電機安裝在同一個底座上，泵與電機采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接（非剛性聯(lián)接）。泵的吸入口經(jīng)一段金屬波紋管（DN500）和兩段進(jìn)口變徑管與進(jìn)口管道（DN900）相連。泵吸入口管道示意圖見圖2。泵基本參數(shù)表見表1。

1.2 振動現(xiàn)象

2020年3月5日，對1SEN1220PO-測振時發(fā)現(xiàn)泵驅(qū)動端水平方向振動最大達(dá)到3.35mm/s（標(biāo)準(zhǔn)≤2.8mm/s，額定流量），溫度最高30℃（報警值80℃、停機值85℃）。頻譜見圖3。

2020年3月19日，對軸承室與泵殼連接螺栓和泵軸承室壓蓋螺栓進(jìn)行力矩檢查，并對軸承室進(jìn)行潤滑脂補充，泵驅(qū)動端水平方向振動最大由4.0mm/s降至3.7mm/s，溫度最高由35℃上升至59℃。頻譜見圖4。

2020年4月15日—4月21日對泵軸承進(jìn)行更換，2020年4月22日執(zhí)行再鑒定，泵驅(qū)動端水平方向振動最大3.9mm/s，溫度最高36℃。頻譜見圖5，與前兩次的頻譜類似。

從前兩次泵組振動現(xiàn)場處理情況及頻譜特征來看，泵組不存在軸系不對中、動不平衡、動靜摩擦、軸承故障、共振、汽蝕等情況，以下從非穩(wěn)定流對泵組振動影響方面進(jìn)行分析。

2? 非穩(wěn)定流激振分析

就大型立式泵而言，非穩(wěn)定流因素產(chǎn)生的振動主要以葉片通過頻率為主，其倍頻數(shù)與葉片數(shù)相對應(yīng)，同時會存在一定的低頻成分或者較高頻成分。從振動頻譜分析，振動頻率99.4Hz及其周圍寬帶頻為振動值主要貢獻(xiàn)。

葉片通過頻率如下：

式中fvp—葉片通過頻率，Hz;n—諧波整數(shù)，n=1;Z1—動葉片數(shù)量，Z=4;Z2—靜葉片數(shù)量，Z=2;N—轉(zhuǎn)速，744r/min。計算得fvp=99.2Hz，振動頻率接近葉片通過頻率。

通過現(xiàn)場對泵進(jìn)行固有頻率測試發(fā)現(xiàn)，在葉片過流頻率99.4Hz附近無明顯的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，因此共振不是主要的因素，在葉片過流頻率99.4Hz附件的頻譜存在一定的隨機性，呈隨機性帶狀譜。從歷史頻譜分析，99.4Hz頻率振動幅值基本無變化，但其周圍寬頻振動幅值在增大，說明隨著設(shè)備運行，會出現(xiàn)水力部件磨損情況，泵內(nèi)表面流體壓力脈動導(dǎo)致明顯的寬頻振動出現(xiàn)[1]。

不穩(wěn)定的流體介質(zhì)是激發(fā)立式泵振動的一個重要因素。不穩(wěn)定的流體介質(zhì)可能來源于設(shè)計、安裝或者運行狀態(tài)變化等原因，導(dǎo)致管道及泵蝸殼中形成湍流，使軸系出現(xiàn)明顯振動。以下從6個方面分析非穩(wěn)定流的影響因素。

2.1 泵入口流體初始狀態(tài)

已知輔助給水泵設(shè)計流體介質(zhì)是海水，密度ρ=1021kg/m3，溫度25℃，海水運動粘度系數(shù)ν =0.946×10-6㎡/s，根據(jù)雷諾數(shù)計算方程

可以計算出吸入口直管段流體介質(zhì)雷諾數(shù)Re遠(yuǎn)大于Schiller臨界雷諾數(shù)Rec=2300，因此入口水平直管段內(nèi)流體為湍流。吸入口管道豎直管段與水平管段通過90°彎頭連接，流體經(jīng)過彎管，在彎管內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)兩個旋渦區(qū)，并且會出現(xiàn)二次流。流體進(jìn)入泵吸入口前還會經(jīng)過兩段入口變徑管。因此泵吸入口流體為復(fù)雜的湍流。

2.2 泵吸入口形式影響

離心泵進(jìn)水口形式的改進(jìn)可以改善流體進(jìn)入泵組的回流、旋渦等現(xiàn)象，使流體更加穩(wěn)定，減小葉輪與隔舌速度變化梯度。在泵入口設(shè)置擋板有利于阻斷葉輪入口回流連續(xù)性，改善進(jìn)入葉輪流體狀態(tài);但如果擋板設(shè)置不當(dāng)，會削弱擋板功能[2]。

泵吸入口朝下，吸入口管道豎直管段與水平管段通過90°彎頭連接，豎直管段長度2442mm，管長小于5倍管徑。流體進(jìn)入泵吸入口前還會經(jīng)過兩段入口變徑管，總變徑比5：9。因此泵吸入口流體會形成更為復(fù)雜的湍流。為了改善流場狀態(tài)，泵吸入口兩段變徑管上布置了擋板，兩段變徑管擋板在設(shè)計時與入口水平直管段平行。

但在實際現(xiàn)場作業(yè)時發(fā)現(xiàn)吸入口兩段進(jìn)口變徑管擋板角度不一致，其中上變徑管隔板未與吸入口水平直管段平行，上下變徑管擋板交叉角度約15°，使隔板導(dǎo)流及減小流體旋渦區(qū)和二次流的作用降低。

2.3 泵內(nèi)流場狀態(tài)影響

對離心泵內(nèi)流場進(jìn)行分析，從葉輪進(jìn)口到葉輪出口靜壓沿徑向逐漸增大，且由于湍流影響，葉輪出口處靜壓分布不均，壓力最低值出現(xiàn)在在隔舌附近[3]，流體介質(zhì)將以渦旋方式從壓水室向出口運動。普遍研究結(jié)果表明，葉輪與隔舌之間的動靜流場干涉是泵內(nèi)壓力脈動形成的主要原因，壓力脈動周期與葉輪葉片數(shù)、隔舌數(shù)相關(guān)。從葉輪進(jìn)口到出口，壓力脈動幅值逐漸增大[4];隨著流體遠(yuǎn)離葉輪，壓力脈動受流體的影響在減小，說明葉輪進(jìn)口處流體狀態(tài)直接影響泵組穩(wěn)定運行。

2.4 小流量工況影響

泵組實際流量約3658m3/h （通常在約86%額定流量運行）。在小流量工況下，葉輪內(nèi)部和入口處的壓力脈動也會發(fā)生變化。小流量對葉輪內(nèi)部影響嚴(yán)重，流量越小，流體流線扭曲越嚴(yán)重，葉輪內(nèi)部流場越不穩(wěn)定[5]。隨著葉片轉(zhuǎn)過蝸舌，葉輪出口處靠近葉片壓力面附近的旋渦區(qū)域逐漸縮小，強度逐漸減弱，而下一個流道中間新的旋渦開始形成并逐漸發(fā)展。葉輪出口處復(fù)雜的流動狀態(tài)是壓力脈動幅值增大的主要原因。小流量工況下，偏離額定流量，在葉輪出口（葉輪和蝸殼動靜干涉區(qū)域）壓力脈動幅值有所增大，脈動主頻發(fā)生變化，不再是通過頻率，而且其頻譜寬度明顯增大[6]，泵內(nèi)表面流體壓力脈動是寬頻激振源，會誘發(fā)離心泵系統(tǒng)產(chǎn)生各階模態(tài)振動。同時小流量工況下葉輪入口處渦線分布更為混亂，流體流動要更加復(fù)雜，吸入管內(nèi)預(yù)旋流、二次流、回流以及湍流強度得到加強，引起更大的壓力脈動，從而更易對泵的運行造成危害。

2.5 葉輪、蝸殼及入口管內(nèi)表面粗糙度影響

粗糙度對離心泵進(jìn)口回流非定常特性影響，粗糙度越小，葉輪入口管低壓區(qū)面積越小，減小渦旋強度效果越好[7]。

2.6 口環(huán)間隙影響

同一泵組，不同口環(huán)間隙會誘導(dǎo)不同壓力脈動及徑向力變化，口環(huán)間隙的增大會引起泵入口處絕對速度矢量渦由間隙出口向葉輪入口移動，入口流體的流速及流態(tài)穩(wěn)定性均受到較大影響，并且蝸室及前泵腔內(nèi)的壓力脈動波動、壓力脈動幅值均有所下降，其中隔舌和前泵腔處下降最大，但隨著口環(huán)間隙的增大，存在一個值使得壓力脈動幅值有極大值[8-9]。

3? 振動處理措施

以上從泵入口流體初始狀態(tài)、泵吸入口形式、泵內(nèi)流場、小流量工況、部件表面粗糙度、口環(huán)間隙等六方面對非穩(wěn)定流激振分析，那么解決現(xiàn)場問題也可從這些方面著手。

3.1 泵入口流體初始狀態(tài)

泵流體初始狀態(tài)最理想情況為層流，至少要保持入口直管段的流體狀態(tài)不惡化。從現(xiàn)場實際布置來看，吸入口管道豎直管段長度應(yīng)>5DN，即900mm×5mm=4500mm。現(xiàn)場泵吸入口管道房間總高度僅3900mm，豎直管段僅2442mm，需改變泵房土建設(shè)計結(jié)構(gòu)或者抬高泵基礎(chǔ)。

3.2 泵吸入口形式

泵吸入口形式安裝錯誤影響泵入口流場，進(jìn)而導(dǎo)致泵內(nèi)非穩(wěn)定流加劇。通過調(diào)整泵吸入口隔板安裝位置使其與廠家設(shè)計相符，可以加強其對非穩(wěn)定流的改善情況。

3.3 泵內(nèi)流場

泵內(nèi)流場與葉輪葉片、隔舌等結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密相關(guān)。要改變泵內(nèi)流場，需重新優(yōu)化設(shè)計葉輪、蝸殼等結(jié)構(gòu)，使非穩(wěn)定流向穩(wěn)定流場轉(zhuǎn)化。

3.4 小流量工況

現(xiàn)場檢查泵組出口流量保持在86%額定流量，沒有達(dá)到設(shè)計額定流量。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，泵出口調(diào)節(jié)閥已全開，泵組已達(dá)到現(xiàn)場所允許的最大流量。要使泵組達(dá)到其設(shè)計額定流量，需對泵進(jìn)出口管道及閥門重新計算加以改進(jìn)。

3.5 部件表面粗糙度

泵組葉輪、蝸殼為不銹鋼精密鑄件。泵組長期運行，設(shè)備解體后發(fā)現(xiàn)其表面有部分臟污，可對其進(jìn)行清理打磨，恢復(fù)其出廠時表面粗糙度。

3.6 口環(huán)間隙

測量1SEN1220PO-口環(huán)間隙為1.81mm;與其同列的另一臺泵1SEN1210PO-口環(huán)間隙為0.30mm?？紤]對調(diào)兩臺泵的水力部件。

從以上振動分析中可以發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)~輪、蝸殼結(jié)構(gòu)等設(shè)計變更最為困難，耗時最長，改造優(yōu)先級靠后;而隔板安裝角度、泵部件表面粗糙度、葉輪口環(huán)間隙等較為容易處理，優(yōu)先考慮進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)以上處理措施的實施難度分析，現(xiàn)場實施如下：

（1）將變徑管隔板安裝角度調(diào)整為廠家要求的與吸入管水平直管段軸線平行，且兩個隔板交叉角度盡可能?。ㄒ妶D6和圖7）。

（2）對泵蝸殼、葉輪、吸入口及變徑管內(nèi)表面水垢、臟污進(jìn)行清理、打磨，盡可能恢復(fù)其原始狀態(tài)。對其進(jìn)行清理打磨處理后，對比庫存?zhèn)浼?，其表面粗糙度基本一致?/p>

（3）將另一列泵水力部件與其對調(diào)，對調(diào)后的泵口環(huán)間隙分別為1.36mm和0.9mm。

經(jīng)過以上3點處理措施，并輔以調(diào)整電機支架平面度等措施，最終泵振動測試結(jié)果為最大 1.27mm/s，低于報警值2.8mm/s，振動合格，頻譜見圖8所示。

5? 結(jié)語

泵內(nèi)部及入口流場的穩(wěn)定性直接影響泵組的振動水平，從非穩(wěn)定流激振角度進(jìn)行振動分析，是現(xiàn)場處理泵組振動問題的重要手段，對處理復(fù)雜振動具有重要參考意義。

對于現(xiàn)場泵設(shè)備振動問題處理，現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)泵組振動分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備實際情況，從易到難選擇實施方案，降低其振動值至滿足廠家要求，為后續(xù)類似泵組振動問題處理提供實踐經(jīng)驗。

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