基于頻譜分析的某核電廠設(shè)備冷卻水泵振動高的治理

朱鈴峰

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

0 引言

某核電廠設(shè)備冷卻水系統(tǒng)是一個閉式回路的冷卻水換熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電廠正常運行各個階段將核島和常規(guī)島設(shè)備運行發(fā)熱、堆芯衰變熱、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的顯熱傳遞給廠用水系統(tǒng)并最終將熱量傳遞給海水[1]。其中設(shè)備冷卻水泵在提供介質(zhì)間換熱動力、維持系統(tǒng)介質(zhì)穩(wěn)定運行等方面起到了重要作用[2]。該核電廠設(shè)備冷卻水泵采用臥式單級雙吸離心泵，設(shè)計流量為3 000 m3/h，額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min（24.75 r/s）[3]。在電站功率運行階段，某次定期試驗時發(fā)現(xiàn)泵體驅(qū)動端垂直方向存在異常高頻振動，經(jīng)手持式測振儀測量最大振動數(shù)值在8～10 mm/s波動，而利用頻譜儀測量振動值波動范圍很大，其中最大值達到了21 mm/s左右，泵自由端垂直方向振動為5.0 mm/s，其余方向振動處于合格范圍內(nèi)（小于3.6 mm/s）。

導(dǎo)致離心泵振動異常的原因有很多種，如轉(zhuǎn)子動靜不平衡、軸系不對中、結(jié)構(gòu)共振、軸承破損等問題。文獻[4]指出轉(zhuǎn)動機械振動檢測和故障診斷也有多種方法，如基于振動頻譜分析、基于潤滑油的光譜和鐵譜分析、基于噪聲分析等。本文結(jié)合該核電廠實際的現(xiàn)場條件采取基于測量的振動頻譜圖分析的方法，探查了該設(shè)備冷卻水泵振動高缺陷產(chǎn)生的原因，并根據(jù)可能的原因?qū)Ρ眠M行了解體檢修、原因排查及振動治理。

1 振動高原因分析及解體治理

因泵驅(qū)動端垂直方向（P1V）振動異常，分析該測點頻譜圖如圖1和圖2所示，存在1倍頻（轉(zhuǎn)頻）、2倍頻、6倍頻（葉片通過頻率）和高倍頻，其中1倍頻（轉(zhuǎn)頻）、6倍頻（葉片通過頻率）和高倍頻占主要成分。

圖2 治理前振動頻譜圖（高頻）

1.1 對于高倍頻的治理

由圖2可知出現(xiàn)了頻率為759Hz、大小約為1.5 mm/s的高倍頻，高倍頻的出現(xiàn)一般和軸承的問題有關(guān)，且現(xiàn)場查看時驅(qū)動端軸承運行時有異音。解體檢查后發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端軸承外圈內(nèi)側(cè)存在缺陷如圖3所示：在驅(qū)動端軸承外圈底部，可見明顯磨痕，每個磨痕相互獨立，無明顯的沿圓周方向的磨損痕跡，磨痕區(qū)域總寬度約占整個軸承圓周的1/4，軸承上部無明顯凹痕。從痕跡分析，軸承可能出現(xiàn)了微動磨損。更換新軸承后高頻振動由原先的1.5 mm/s降低為0.1 mm/s。

圖3 舊軸承圖片

1.2 對于1倍頻的治理

1倍頻（轉(zhuǎn)頻）激振多為轉(zhuǎn)子動不平衡力引起的，對拆卸下的轉(zhuǎn)子加上聯(lián)軸器進行動平衡試驗后發(fā)現(xiàn)葉輪兩面的動不平衡量都超過了200 g，而利用如下公式計算得到該轉(zhuǎn)子的許用不平衡量為7.5 g。

式中：e為偏心距；G為平衡精度；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；T為最大許用不平衡量；W為角速度；R為校正半徑。

針對動平衡機試驗的結(jié)果，經(jīng)過對應(yīng)角度的葉片打磨去重等轉(zhuǎn)子動平衡治理工作后，轉(zhuǎn)子兩個去重面的許用不平衡量如圖4所示都不超過7.5 g，泵解體后試驗運行時1倍頻如圖5所示從原先的1.9 mm/s降到了0.1 mm/s。

圖4 轉(zhuǎn)子動平衡治理前后對比

圖5 解體檢修運行時的振動頻譜圖

1.3 對于6倍頻的治理

6倍頻激振力為介質(zhì)通過葉輪時產(chǎn)生的沖擊力（振動頻率=工作頻率×葉片個數(shù)）。就振動性質(zhì)而言，屬于流道突變導(dǎo)致介質(zhì)壓力脈動而產(chǎn)生流體激振，該激振力與流體參數(shù)（流量、壓力和溫度）、流道（蝸室流道、葉輪與隔舌間隙）、葉片形式和數(shù)量息息相關(guān)。就設(shè)備冷卻水泵而言，一般通過更換葉輪或加強泵基座剛度等手段來解決。在泵的解體檢修時發(fā)現(xiàn)泵兩側(cè)軸承箱的定位銷一端是松動的，導(dǎo)致軸承箱剛度不足，完全敲入定位銷后轉(zhuǎn)子與泵蓋之間有剮蹭，無法用手進行盤動。對兩側(cè)軸承箱重新定位且重新鉸孔打入新的軸承箱定位銷后，解體檢修前6倍頻（葉片轉(zhuǎn)動頻率）2.4 mm/s的振動降低到了修后的1.9 mm/s。但由于沒有整體上增加軸承室的剛度，后續(xù)連續(xù)運行時測量的振動值如圖5所示又緩慢上漲到2.4 mm/s左右，該頻率的振動沒有得到很好的治理。

2 振動根本原因分析及后續(xù)建議

2.1 振動根本原因分析

該型設(shè)備冷卻水泵在定期試驗過程中振動高的根本原因為驅(qū)動端軸承微動磨損[5]。該臺設(shè)備冷卻水泵由于長期置于備用狀態(tài)，日常期間只做定期試驗，軸承外圈的下半部分承受了整個轉(zhuǎn)子全部約240 kg左右的質(zhì)量，同時現(xiàn)場該臺設(shè)備冷卻水泵驅(qū)動端距離另一臺泵較近，另一臺設(shè)備冷卻水泵在長時段的運行期間對該臺泵產(chǎn)生了振動影響，現(xiàn)場測量驅(qū)動端附近樓板振動數(shù)值為1.6 mm/s左右，使得該臺泵的轉(zhuǎn)子和軸承室等靜止部件產(chǎn)生了一個輕微的上下運動，長時間微量的上下運動最終導(dǎo)致軸承外圈下半部分損傷。

2.2 后續(xù)的治理建議

由于目前兩臺泵之間互相影響的微動磨損并未消除，為減小該磨損對兩臺泵軸承的運行影響，綜合現(xiàn)場的具體情況，可以采取以下較為有效且實施可能性高的減緩措施：

1）改變現(xiàn)場兩臺泵的運行方式：從一臺長期備用改為兩臺定期切換運行[6]，切換的頻率即單臺運行的時間需要根據(jù)現(xiàn)場實踐來不斷摸索確定。

2）現(xiàn)場通過挖出隔振溝或整體增加基礎(chǔ)剛度來減小運行列傳遞到備用設(shè)備的振動。

3）在該臺設(shè)備冷卻水泵兩端的軸承箱部位增加調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper），該技術(shù)是一種被動的振動控制技術(shù)，減振效果明顯，施工簡單，目前主要應(yīng)用在高層建筑、大型橋梁、海洋平臺等工程領(lǐng)域[7]。它是主要由質(zhì)量塊、阻尼器和彈簧組成的裝置，原理為將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器作為子系統(tǒng)安裝在主結(jié)構(gòu)振動較為明顯的部分，通過子系統(tǒng)的被動諧振將主結(jié)構(gòu)上的振動能量轉(zhuǎn)移到作為子系統(tǒng)的阻尼器上，之后由阻尼器上的阻尼材料來耗散整個系統(tǒng)的振動能量，進而達到抑制振動的目的。其實施的粗略過程如下：首先需要采集現(xiàn)場各相關(guān)部位的振動數(shù)據(jù)并進行分析，再通過有限元法進行模態(tài)分析和仿真，根據(jù)分析和仿真結(jié)果設(shè)計和制造調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，最后安裝至現(xiàn)場進行精調(diào)，最終達到抑制振動的目的。該技術(shù)目前在轉(zhuǎn)動設(shè)備上應(yīng)用案例較少，故需要不斷試驗，才能達到預(yù)期的減振效果。

現(xiàn)場解體檢修后泵連續(xù)運行時，最大振動頻率為6倍頻（葉片的通過頻率），為進一步降低該類型振動，采取以下減緩措施：

1）通過不斷調(diào)整系統(tǒng)流量、實時監(jiān)測泵的運行振動數(shù)據(jù)來確定在符合流量要求下泵運行階段的最低振動。

2）在下次解體檢修時通過更換葉輪、增加支撐來增加軸承箱剛度，改變振動幅值，但支撐的具體形式和位置需要不斷試驗。

3 結(jié)束語

本文通過分析某電廠設(shè)備冷卻水泵振動高的頻譜圖，得出可能產(chǎn)生振動的原因，針對可能的原因進行了設(shè)備冷卻水泵的解體檢修，通過更換軸承、調(diào)整轉(zhuǎn)子定位、葉輪不平衡量的處理等方法，消除了泵運行時的高倍頻和1倍頻，降低了泵的葉片通過頻率。根據(jù)檢修過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象進一步分析產(chǎn)生振動的根本原因，并結(jié)合后續(xù)連續(xù)運行時測得的振動頻譜圖給出了調(diào)整運行方式、更換葉輪、增加基礎(chǔ)剛度、安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等進一步降低泵組振動的可行策略，為以后相同類型泵的振動缺陷治理提供了參考范本和治理手段。