多級立式離心泵振動高問題解決方法及應(yīng)用

歐陽資義

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

核電站ACO（給水加熱器疏水回收系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)是為了使第3 級和第4 級低壓給水加熱器殼側(cè)產(chǎn)生的冷凝水能夠受控排出，且能夠更充分地利用這些疏水的熱量，以提高給水的初始溫度，提高機(jī)組的熱循環(huán)效率。其疏水方式是用專用疏水泵將疏水打入第3 級和第4 級低加之間的凝結(jié)水主管道，這種方式可減少疏水熱損失，提高經(jīng)濟(jì)性。

核電站1#、2#機(jī)組共有4 臺ACO 低加疏水泵。自安裝調(diào)試以來，該電站1#、2#機(jī)組ACO 電機(jī)非驅(qū)動端均存在振動高的問題?，F(xiàn)場采集了4 臺ACO 泵的最大振動值，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 1#機(jī)組和2#機(jī)組ACO 泵組 振動數(shù)據(jù) mm/s

該核電站ACO 低加疏水泵為筒袋型、立式、7 級離心泵，泵轉(zhuǎn)子長5 m，電機(jī)軸長1.7 m。泵額定流量197.7 m3/h，揚(yáng)程189.3 m，出口壓力1.84 MPa，工作溫度117.3 ℃。ACO 泵組的空載、帶載振動值的報警值分別為2.8 mm/s 和4.5 mm/s。從表1 可以看出，1#、2#機(jī)組4 臺ACO 泵的振動值均超過報警值。

1 原因分析

現(xiàn)場采用頻譜儀測量4 臺ACO 泵組振動頻譜，均顯示為一倍頻，有結(jié)構(gòu)共振的特征。泵組的運(yùn)行工頻如圖1 所示，項(xiàng)目組現(xiàn)場采集的4 臺ACO 泵組的固有頻率見圖2：1ACO301PO、1ACO302PO、2ACO301PO 和2ACO302PO 的固有頻率分別為26.8 Hz、27.0 Hz、26.4 Hz 和26.9 Hz，泵組的工作頻率為25 Hz。

圖1 泵運(yùn)行主要特征頻率

圖2 泵敲擊固有頻率

4 臺ACO 泵的固有頻率均接近工頻25 Hz，理論上符合泵組結(jié)構(gòu)共振的特征。經(jīng)過多次現(xiàn)場調(diào)研，項(xiàng)目組對導(dǎo)致泵組共振的原因進(jìn)行分析，找到5 條可能因素，分別為電機(jī)支架剛度不足、泵組連接螺栓松動、水泥灌漿基礎(chǔ)松動、泵組動不平衡量超標(biāo)和泵支架剛度不足。項(xiàng)目組對5 條可能因素逐一進(jìn)行了排查驗(yàn)證。

1.1 電機(jī)支架剛度不足

項(xiàng)目組對ACO 電機(jī)支架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)加工，將電機(jī)支架壁厚從12 mm 增加到16 mm，將開窗大小由350 mm×550 mm 減小為300 mm×530 mm，電機(jī)筒體由錐形改為直筒型，同時其內(nèi)側(cè)增加周向6 條24 mm 厚約75 mm×650 mm 的加強(qiáng)筋。

將改造后的電機(jī)支架安裝至1#機(jī)現(xiàn)場，測量現(xiàn)場ACO 泵組固有頻率及帶載試驗(yàn)結(jié)果：1ACO301MO 和1ACO302MO 的固有頻率分別為25.6 Hz 和25.7 Hz，振動值分別為32.0 mm/s 和14.6 mm/s。由于更換加強(qiáng)型的電機(jī)支架后ACO 泵組振動值不降反升，因此只增加電機(jī)支架的強(qiáng)度無法改善泵組振動值。

1.2 連接螺栓松動

項(xiàng)目組按照設(shè)備維修運(yùn)行手冊標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)對設(shè)備各處螺栓力矩進(jìn)行了校驗(yàn)，

泵組各連接螺栓力矩值均滿足標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論：ACO 泵組各連接螺栓無松動情況。

1.3 水泥灌漿基礎(chǔ)松動

現(xiàn)場測量4 臺ACO 泵組的水泥臺板振動值，在試驗(yàn)位置1ACO301PO、1ACO302PO、2ACO301PO 和3ACO302PO，振動值分別為0.03 mm/s、0.05 mm/s、0.04 mm/s 和0.05 mm/s。以上數(shù)據(jù)表明，4 臺ACO 泵組的水泥臺板振動值均滿足標(biāo)準(zhǔn)，所以ACO 泵組水泥臺板灌漿無松動情況。

1.4 泵組轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

將2ACO301PO 泵轉(zhuǎn)子拆出，外送動平衡廠家進(jìn)行校正。校正結(jié)果滿足G1 標(biāo)準(zhǔn)后，將轉(zhuǎn)子回裝至現(xiàn)場，進(jìn)行再鑒定試驗(yàn)。泵組啟動后，測量振動值為7.1 mm/s，與動平衡校正前的振動值（7.6 mm/s）相比基本無變化。所以，泵組振動高與轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡無關(guān)。

1.5 泵支架剛度不足

為了驗(yàn)證泵組支架剛度不足的因素，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)制作了臨時金屬支撐桿，安裝在泵支架上，提高泵支架剛度，觀察泵組振動是否有變化。

對4 臺ACO 泵組安裝支撐桿后，測量泵組固有頻率，并進(jìn)行泵組再鑒定試驗(yàn)（表2）。

由表2 可知，在泵支架上安裝支撐桿進(jìn)行加強(qiáng)后，泵組固有頻率均偏移工作頻率（25 Hz）10%以上，振動值均降低至4.5 mm/s 以下?？梢?，現(xiàn)場驗(yàn)證泵組存在支架剛度不足的問題，并導(dǎo)致泵組結(jié)構(gòu)共振。

表2 安裝支撐桿后泵組固有頻率及振動值

1.6 泵組共振原因

由上述分析可知，導(dǎo)致ACO 泵組產(chǎn)生共振的原因?yàn)楸弥Ъ軇偠炔蛔恪?/p>

2 解決方案

基于上述分析，為解決泵支架剛度不足造成的泵組共振，項(xiàng)目組制定了兩種解決方案，分別為：①更換剛度更高的泵支架；②采用較輕的電機(jī)，并更換止口尺寸對應(yīng)的電機(jī)支架。

2.1 更換為剛度更高的泵支架

2.1.1 方案分析

創(chuàng)造模擬模型對泵組進(jìn)行分析。模擬模型建模參照設(shè)計(jì)總圖重心位置建立，通過調(diào)整密度使結(jié)構(gòu)重量重心高連接剛度接近實(shí)際模型。對于進(jìn)出口管道，分別采用100 kg 質(zhì)點(diǎn)模擬依附于管口法蘭質(zhì)量?？偨Y(jié)構(gòu)圖紙質(zhì)量5320 kg 外筒體直接掛在基礎(chǔ)上。主要質(zhì)量包含：外筒體825 kg，基座650 kg，電機(jī)架404 kg，出水殼體1221 kg，導(dǎo)葉殼體882 kg，誘導(dǎo)輪室54.4 kg，聯(lián)軸器84 kg，直管段334 kg，轉(zhuǎn)子252 kg，推力軸承155 kg，上軸115 kg，內(nèi)殼體56 kg，導(dǎo)流體56 kg，軸封室33 kg，套筒聯(lián)軸器17 kg 及其他零件約181 kg 分布于導(dǎo)葉體、直管段、出水殼體上各取60 kg，內(nèi)殼體與軸封部件合計(jì)89 kg，套筒聯(lián)軸器與上軸合計(jì)132 kg。

模型總質(zhì)量5320 kg 與圖紙重量一致，電機(jī)質(zhì)量1.6 t，重心高參考680 mm，含電機(jī)總結(jié)構(gòu)重6.92 t（圖3）。

圖3 泵組模擬圖

對電機(jī)設(shè)置單獨(dú)底座，與泵體分別安裝在泵座上，泵座按照原來的1.65 倍放大，同時將地腳螺栓增加為8 個。模態(tài)計(jì)算分析結(jié)果見表3。由分析結(jié)果可知，當(dāng)電機(jī)設(shè)置單獨(dú)底座、泵支架按照原來的1.65 倍放大時，共振振型下的固有頻率計(jì)算為29.8 Hz，37.9 Hz，其固有頻率提高了33%和41.4%。

表3 模態(tài)計(jì)算分析結(jié)果

2.1.2 實(shí)施成本分析

項(xiàng)目組多次進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，實(shí)施該方案，需對泵支架、吐出座、泵筒體等進(jìn)行改造及更換，其工作量基本等同于更換整泵，備件制造工期預(yù)計(jì)6 個月，現(xiàn)場改造實(shí)施工期預(yù)計(jì)3 個月，電站大修窗口無法滿足，實(shí)施成本過高。

從成本角度分析，方案1 理論上可以解決泵組振動高問題，但實(shí)際成本消耗過高，可實(shí)施性低。

3、表面平整，有防水防潮處理措施，外墻勒腳做防水處理高度不低于0.6米。當(dāng)采用灰漿抹面時，抹面層干凈整潔，沒有明顯龜裂、空鼓、剝落現(xiàn)象。當(dāng)外墻采用清水磚墻時，進(jìn)行勾縫處理。

2.2 更換采用較輕的電機(jī)，并更換止口尺寸相對應(yīng)的電機(jī)支架

2.2.1 方案分析

對模擬模型進(jìn)行調(diào)整，將固有頻率調(diào)整至22 Hz、25 Hz 附近，調(diào)整后的模擬圖見圖4。

圖4 模擬模型調(diào)整至22 Hz 和25 Hz 附近固有頻率

根據(jù)調(diào)整后的物理模型，采用同樣設(shè)置參數(shù)進(jìn)行固有頻率計(jì)算。模擬的4 種方案分別如下：

方案1：采用初始的電機(jī)，選用電機(jī)重量1.60 t，重心高參考680 mm。

方案2：采用較輕的電機(jī)，選用電機(jī)重量1.27 t，重心高參考570 mm。

方案3：采用強(qiáng)化電機(jī)架，選用電機(jī)重量1.60 t，重心高參考680 mm。

方案4：采用強(qiáng)化電機(jī)架，選用電機(jī)重量1.27 t，重心高參考570 mm。

工作轉(zhuǎn)速1480 r/min，共振點(diǎn)頻率24.67 Hz，實(shí)際敲擊固有頻率為（22.5 Hz、26.5 Hz 和27.5 Hz）。

實(shí)際共振區(qū)間取間隔10%即為22.2～27.13 Hz（實(shí)際結(jié)構(gòu)敲擊測試的固有頻率結(jié)果規(guī)定避開率為10%）。各物理模型模態(tài)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各物理模型模態(tài)計(jì)算結(jié)果

所以，只有采取強(qiáng)電機(jī)架配輕電機(jī)時，其計(jì)算的第三、第四階固有頻率最低可達(dá)27.13 Hz 以上。因此建議按照“強(qiáng)電機(jī)架配輕電機(jī)”的模型解決共振問題。

2.2.2 實(shí)施成本分析

“強(qiáng)電機(jī)架配輕電機(jī)”的改造方案，即方案4：采用較輕的電機(jī)，并更換止口尺寸相對應(yīng)的電機(jī)支架。改造成本分析如下：

（1）工期成本：備件加工工期3 個月，現(xiàn)場施工工期5 d。

（2）備件成本：新電機(jī)備件金額3 萬元，新電機(jī)支架金額1萬元，合計(jì)4 萬元。

（3）人力成本：更換新電機(jī)及新支架，現(xiàn)場施工需人員4 人，計(jì)算人力成本約1.4 萬元。

采用方案4 實(shí)施改造時，每臺泵組僅耗費(fèi)成本約5.4 萬元，可以接受。

3 改造效果

確定最終實(shí)施方案后，項(xiàng)目組持續(xù)督促廠家生產(chǎn)輕型電機(jī)及配套支架，并安排組內(nèi)成員赴廠監(jiān)造，保證電機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量。

在電機(jī)到廠后，在大修窗口分別將4 臺新電機(jī)、新支架安裝至現(xiàn)場并進(jìn)行試驗(yàn)。泵組帶載運(yùn)行，振動值比改造前有大幅降低，達(dá)到卓越值（表5）。

表5 改造后的泵組振動值

通過上述方案改造，該核電站ACO 低加疏水泵振動高問題得到徹底解決，該技術(shù)方案驗(yàn)證可行。

4 結(jié)論

引起多級立式離心泵振動高原因很多，項(xiàng)目組在處理過程中排除了螺栓松動、對中不良、潤滑不良、基礎(chǔ)不牢等多種因素，最終將原因鎖定在泵支架剛度不足。在制定處理方案時，通過綜合對比方案的實(shí)施效果、實(shí)施成本，制定了更換輕電機(jī)及配套電機(jī)支架的解決方案。在方案實(shí)施過程中，項(xiàng)目組嚴(yán)格把關(guān)，確保電機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量。最終新電機(jī)安裝到現(xiàn)場帶載運(yùn)行時，振動值達(dá)到優(yōu)越值，成功解決該核電站ACO 泵組振動高的問題，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。