秦山二期反應(yīng)堆冷卻劑泵現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)

肖孝鋒，肖 建

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江??海鹽??314300）

秦山二期反應(yīng)堆冷卻劑泵現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)

肖孝鋒，肖 建

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江??海鹽??314300）

基于核電廠反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡(jiǎn)稱主泵）的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)原理，描述了秦山二期擴(kuò)建工程3、4號(hào)機(jī)組主泵在調(diào)試過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)高的異常情況，利用泵組自帶振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)頻譜分析和診斷，確定為不平衡故障，并采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡法進(jìn)行處理，使主泵振動(dòng)狀態(tài)達(dá)到良好水平的過(guò)程，為同類型主泵的動(dòng)平衡處理提供了一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

反應(yīng)堆冷卻劑泵；動(dòng)平衡；振動(dòng)；頻譜

核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要功能是使冷卻劑循環(huán)流動(dòng)，將一回路反應(yīng)堆堆芯中核裂變產(chǎn)生的熱量通過(guò)蒸汽發(fā)生器傳遞給二回路系統(tǒng)。反應(yīng)堆冷卻劑泵作為一回路的重要設(shè)備，是核電廠唯一的核一級(jí)泵，其設(shè)備狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響核電廠的安全和運(yùn)行。

秦山二期擴(kuò)建工程3、4號(hào)機(jī)組的主泵在調(diào)試運(yùn)行初期，3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO均出現(xiàn)不同程度的軸振動(dòng)高問(wèn)題，在熱停堆狀態(tài)時(shí)主泵的軸振動(dòng)位移最大值達(dá)到214?μm，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及專家分析，通過(guò)動(dòng)平衡法有效降低了主泵軸振動(dòng)水平。文章對(duì)動(dòng)平衡試驗(yàn)的原理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了描述。

1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 主泵簡(jiǎn)介

秦山二期采用CNP600堆型，共4個(gè)機(jī)組，每個(gè)反應(yīng)堆有2臺(tái)主泵，均是由三菱重工制造的100D型立式單級(jí)離心泵[1]，帶有可控泄漏軸密封裝置，由6?kV三相感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)在壓力15.5?MPa和溫度293?℃下工作，流量24?290?m3/h，揚(yáng)程91?m。主泵泵體和電機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸器進(jìn)行連接，在泵聯(lián)軸器位置裝有在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件由水泵轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，其中水泵轉(zhuǎn)子約2?413?kg，電機(jī)轉(zhuǎn)子約16?538?kg，水泵轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子先單獨(dú)在動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)，然后在出廠試驗(yàn)時(shí)做軸振試驗(yàn)，以保證主泵軸振動(dòng)在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)計(jì)算出各主泵動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)的加重影響因子及相應(yīng)的相位滯后角，以利于今后的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)。

1.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

秦山二期每臺(tái)主泵配有一套反應(yīng)堆主泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，3、4號(hào)機(jī)組采用的是德國(guó)Epro公司的MMS6000系統(tǒng)。每套包含2個(gè)速度傳感器、2個(gè)位移傳感器、1個(gè)鍵相傳感器以及現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)接盒及其信號(hào)通道、信號(hào)處理系統(tǒng)等。

2個(gè)速度傳感器用以監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)軸承的振動(dòng)，互成90°安裝在電動(dòng)機(jī)殼體下法蘭上，一只與主泵出口管嘴的方向平行，另一只與主泵出口管嘴的方向垂直。2個(gè)位移傳感器為非接觸式電渦流式傳感器，互成90°安裝在泵驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)軸節(jié)高度的托架上，安裝方向與速度傳感器的方向相反，在泵運(yùn)轉(zhuǎn)的所有階段中，自動(dòng)監(jiān)測(cè)泵聯(lián)軸器輪轂的靜態(tài)間隙和動(dòng)態(tài)振動(dòng)。位移傳感器輸出的直流電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于軸靜態(tài)位置，輸出的交流電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于軸的振動(dòng)幅值。鍵相傳感器也是一個(gè)電渦流傳感器，其型號(hào)與位移傳感器相同，兩者可以互換，安裝在兩個(gè)位移傳感器中間，通過(guò)檢測(cè)泵輪轂中的鍵槽，提供泵轉(zhuǎn)速信號(hào)以及用于動(dòng)平衡的相位信息。鍵相信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)接盒將信號(hào)傳至信號(hào)處理系統(tǒng)，處理卡件經(jīng)過(guò)處理后變成4～20?mA信號(hào)送主控或者用于現(xiàn)場(chǎng)頻譜分析儀測(cè)試，主控可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主泵的振動(dòng)幅值，提供記錄或報(bào)警。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示。

1.3 振動(dòng)測(cè)量與分析

圖1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Layout of vibration monitoring system

秦山二期3、4號(hào)機(jī)組4臺(tái)主泵在調(diào)試運(yùn)行期間，均利用在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，表1為4號(hào)機(jī)組1號(hào)主泵（4RCP001PO）在不同壓力和溫度下的振動(dòng)情況[2]，從表1中可以看出，在不同環(huán)路溫度及壓力下的軸振動(dòng)幅值有較大變化，這種變化主要由熱不平衡引起，而電機(jī)軸承振動(dòng)幅值則變化不大。

由于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀表僅提供振動(dòng)幅值，無(wú)法提供振動(dòng)頻譜，因此在進(jìn)行故障分析時(shí)需接入振動(dòng)分析儀（DP1500便攜式測(cè)振儀）對(duì)主泵振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析。圖2為4RCP001PO在狀態(tài)4下的軸振動(dòng)頻譜分析圖，從圖中可以看出造成軸振動(dòng)的頻率主要為一倍頻分量25?Hz，占85%以上，由此推斷振動(dòng)主要原因是由不平衡原因?qū)е隆１O(jiān)測(cè)共發(fā)現(xiàn)有3臺(tái)主泵的振動(dòng)水平較高，經(jīng)頻譜分析后均實(shí)施了動(dòng)平衡試驗(yàn)，有效解決了振動(dòng)問(wèn)題。

表1 4RCP001PO各狀態(tài)參數(shù)Table1 Parameters on different condition of 4RCP001PO

圖2 4RCP001PO軸振動(dòng)頻譜Fig.2 Shaft vibration spectrum of 4RCP001PO

2 動(dòng)平衡試驗(yàn)原理

2.1 不平衡概述

如果轉(zhuǎn)子剛體是均勻?qū)ΨQ的，繞對(duì)稱中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則各點(diǎn)離心力相互抵消。由于轉(zhuǎn)子本身組織不均勻或是加工誤差、裝配等造成質(zhì)量偏心等都會(huì)引起旋轉(zhuǎn)軸線的偏移，從而導(dǎo)致不平衡。例如一個(gè)薄圓盤(pán)，若是質(zhì)量分布不均，不能相互抵消平衡，就可以產(chǎn)生不平衡力，總效果是相當(dāng)于某一個(gè)方向上多出一個(gè)當(dāng)量的不平衡質(zhì)量。對(duì)于長(zhǎng)軸物體，如水泵轉(zhuǎn)子可看成多個(gè)不平衡圓盤(pán)的組合，不平衡質(zhì)量的分布呈空間曲線形式。

2.2 動(dòng)平衡原理

轉(zhuǎn)子因質(zhì)量不平衡引起的離心力[3]，總是可以分解為作用在兩個(gè)已知平面上的兩個(gè)力（見(jiàn)圖3）。設(shè)想將某一截面mn分作兩部分，它可能產(chǎn)生下列3種不平衡情況：①兩部分的重心C1、C2處在同一軸向水平切面內(nèi)，并在轉(zhuǎn)軸同一側(cè)（見(jiàn)圖3b），這種情況為靜不平衡；②兩部分的重心C1、C2處在同一軸向水平切面內(nèi)，但在軸線兩側(cè)（見(jiàn)圖3c）。這時(shí)，轉(zhuǎn)子靜力是平衡的，但轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，C1、C2組成一個(gè)力偶，這種情況為動(dòng)不平衡。即不平衡力只有在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才呈現(xiàn)出來(lái)；③一般情況下，重心C1和C2可能在兩個(gè)不同的縱向切面內(nèi)（見(jiàn)圖3d）。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)由離心力G1和G2所組成的力系將作用在物體上，這個(gè)力系可分解為一個(gè)力偶和一個(gè)徑向的力，也即動(dòng)、靜都不平衡。

動(dòng)平衡的目的是平衡不平衡力和力矩，由于轉(zhuǎn)子上的平衡是分布式的，在轉(zhuǎn)子上存在多個(gè)不平衡力，可以分別向任選的兩個(gè)面簡(jiǎn)化，這兩個(gè)面即通常我們所說(shuō)的校正面。通常不平衡量可以由矢量來(lái)表示，符號(hào)為U，單位通常為g·mm。如圖4所示，轉(zhuǎn)子不平衡量在兩個(gè)校正面上分別為U1和U2。根據(jù)上述轉(zhuǎn)化，只需要在兩個(gè)校正面上加上兩個(gè)校正量，來(lái)平衡不平衡量和，就可實(shí)現(xiàn)平衡。即：W1＋U1＝0，W2＋U2＝0。

圖3 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡狀態(tài)Fig.3 Mass imbalance state of rotor

圖4 轉(zhuǎn)子不平衡量的簡(jiǎn)化圖Fig. 4 Brief drawing of rotor imbalance quantity

3 秦山二期3、4號(hào)機(jī)組主泵動(dòng)平衡試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況

動(dòng)平衡試驗(yàn)的工況應(yīng)當(dāng)最接近主泵的正常運(yùn)行工況，因此一般在熱停堆工況下進(jìn)行。從前面1.3節(jié)分析可知，主泵不平衡雖然主要原因是由質(zhì)量不平衡引起，但還有很大一部分原因是熱不平衡，這是導(dǎo)致在不同工況下振動(dòng)不同的主要原因。

3.2 試驗(yàn)限制參數(shù)

為保證動(dòng)平衡試驗(yàn)順利進(jìn)行，且不對(duì)主泵軸承振動(dòng)帶來(lái)大的影響，根據(jù)主泵運(yùn)行維修手冊(cè)，須對(duì)一些試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行限制。

1)?如果動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)主泵軸振動(dòng)超過(guò)250?μm，則報(bào)警；超過(guò)381?μm時(shí)必須立即緊急停泵。

2)?如果動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)電機(jī)軸承振動(dòng)超過(guò)50?μm，則報(bào)警；超過(guò)76?μm時(shí)必須立即緊急停泵。

3)?如果主泵電機(jī)軸承振動(dòng)在50?μm且振動(dòng)增加速度達(dá)10?μm/h，軸振動(dòng)在250?μm以上且大軸振動(dòng)增加速度超過(guò)25?μm/h，立即緊急停泵。

4)?主泵電機(jī)（6?000?V高壓）說(shuō)明書(shū)規(guī)定在連續(xù)啟動(dòng)時(shí)，如果電機(jī)是全速運(yùn)行，兩次啟動(dòng)之間至少間隔20?min，如果電機(jī)是靜止的則至少間隔45?min，在2?h內(nèi)啟動(dòng)不能超過(guò)3次，如果在2?h內(nèi)試行啟動(dòng)了3次或3次啟動(dòng)以后，必須讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)60?min或者靜止135?min使其冷卻。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

1)?首先測(cè)量主泵原始振動(dòng)，設(shè)為A0。根據(jù)原始振動(dòng)計(jì)算不平衡質(zhì)量及方位。首次加重可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式?P=KAWg/Rω2選取，式中，K為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般取0.002～0.004；A為振動(dòng)雙振幅，μm；W為轉(zhuǎn)子重量，kg；g為重力加速度，g=9.8?m/s2；R為加重半徑，m；ω為角速度，ω=2πf，f為工作頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般主泵動(dòng)平衡采用單平面動(dòng)平衡試驗(yàn)方式，加重面選擇在泵端聯(lián)軸器，可取試加重量400～800g，取試加重為M0。

2)?測(cè)量試加重后的振動(dòng)，設(shè)為A1，可以算出在轉(zhuǎn)子試加重M0所產(chǎn)生的振動(dòng)矢量AM=A1-A0，因此影響因子φ為：φ=AM/M0（A1-A0）/M0。

3)?根據(jù)影響因子，計(jì)算修正重量M1，M1=M0/φ，停泵加修正重量M1。

4)?重新啟泵至試驗(yàn)工況，測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)，若振動(dòng)狀態(tài)良好則停止試驗(yàn)，否則重新計(jì)算修正重量，重復(fù)步驟3）。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

秦山二期3、4號(hào)機(jī)組主泵在工廠性能試驗(yàn)時(shí)就已進(jìn)行過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)，并把在工廠試驗(yàn)工況下的聯(lián)軸器螺栓處的加重影響因子記錄在完工報(bào)告中，為了減少現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)主泵啟停次數(shù)，提高一次性成功率，可根據(jù)完工報(bào)告中的加重影響因子來(lái)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)首次加重。

3、4號(hào)機(jī)組在初次運(yùn)行時(shí)有3臺(tái)主泵（3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO）的振動(dòng)水平較高，根據(jù)上述加重影響因子，對(duì)3臺(tái)主泵進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一次試驗(yàn)加重后均達(dá)到理想振動(dòng)狀態(tài)。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與建議

1)?平衡手段不是解決振動(dòng)的唯一方法[4]，只有在認(rèn)真分析振動(dòng)原因，確定是由不平衡故障引起時(shí)（經(jīng)驗(yàn)上一倍頻要占總振動(dòng)值的85%以上）才可以對(duì)設(shè)備實(shí)施動(dòng)平衡。

2)?影響主泵振動(dòng)的原因主要有流量、溫度、壓力等因素，因此設(shè)備試驗(yàn)工況應(yīng)盡量接近正常運(yùn)行工況，此外對(duì)于主泵，軸封水流量對(duì)泵本身振動(dòng)情況也有較大影響，在進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量使每次的軸封水流量基本相同，且與正常運(yùn)行時(shí)的流量一致。

3)?引起主泵振動(dòng)的原因很多，特別是熱變量對(duì)動(dòng)平衡的影響較大，當(dāng)一倍頻分量中包含較大的熱變量時(shí)，泵啟動(dòng)至狀態(tài)穩(wěn)定需較長(zhǎng)的時(shí)間，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集應(yīng)在泵的狀態(tài)穩(wěn)定后（包括軸封水流量和軸承溫度）方可進(jìn)行。建議每隔一段時(shí)間記錄一組數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般在試驗(yàn)工況穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)后振動(dòng)幅值和相位趨于穩(wěn)定。

4)?若計(jì)算出平衡質(zhì)量過(guò)大時(shí)，應(yīng)考慮將矢量分解。一個(gè)螺栓上的配重量不宜超過(guò)1?500?g。當(dāng)主泵聯(lián)軸器平衡面上已有較多平衡塊時(shí)，應(yīng)綜合考慮原有的平衡塊，盡可能減少平衡面的配重，若難以實(shí)施，可選擇慣性飛輪作平衡面。

5)?在進(jìn)行主泵動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)充分利用歷史數(shù)據(jù)。如上述3臺(tái)主泵現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)均根據(jù)完工報(bào)告中的加重影響因子來(lái)進(jìn)行計(jì)算，較精確的計(jì)算出設(shè)備首次加重，提高了一次性成功率，有利于減少啟停泵次數(shù)，因此泵組出廠前的性能試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行有極其重要的意義。

6)?建議在振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件中增加頻譜分析模塊，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主泵的振動(dòng)狀態(tài)，且在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡時(shí)不必臨時(shí)接入頻譜分析儀。

5 結(jié)束語(yǔ)

秦山二期3、4號(hào)機(jī)組在調(diào)試運(yùn)行期間共有3臺(tái)主泵進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)，雖然這些試驗(yàn)過(guò)程主要由生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)，但是經(jīng)過(guò)1、2號(hào)機(jī)組多年的試驗(yàn)研究，秦山二期核電站的技術(shù)人員已經(jīng)可以自力更生，獨(dú)立自主的解決主泵振動(dòng)問(wèn)題，掌握了主泵故障原因分析及后續(xù)處理的相關(guān)技術(shù)，為各機(jī)組商運(yùn)后主泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為同類型主泵的振動(dòng)動(dòng)平衡處理提供了一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]?MHI.?秦山二期擴(kuò)建工程主泵完工報(bào)告[R]，2009．(MHI.?Completion?Report?on?the?Primary?Pump?of?Qinshan?II?Expansion?Project[R],?2009.）

[2]?MHI.?秦山二期擴(kuò)建工程3、4號(hào)機(jī)組主泵振動(dòng)測(cè)量報(bào)告[R]，2011．（MHI.?Report?on?Primary?Pump?Vibration?Measurement?for?Unit?3?&?4?of?Qinshan?II?Expansion?Project[R],?2011.）

[3]?呂群賢．反應(yīng)堆主泵現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡[J]．核動(dòng)力工程，2002，23（3）：63-68．（LV?Qun-xian.?On-site?Dynamic?Balance?of?Reactor?Coolant?Pump[J].?Nuclear?Power?Engineering,?2002,?23(3):63-68.）

[4]?趙振宇.?嶺澳核電站主泵動(dòng)平衡[J]．中國(guó)設(shè)備工程，2011，04：32-34.（ZHAO?Zhen-yu.?Dynamic?Balance?of?the?Primary?Pump?in?Ling?Ao?NPP[J].?China?Equipment?Engineering,?2011,?04:32-34.）

Dynamic Balancing Test on the Site of Reactor Coolant Pump in Qinshan II

XIAO?Xiao-feng，XIAO?Jian
(CNNC?Nuclear?Power?Operations?Management?Co.，Ltd.，Haiyan?of?Zhejiang?Prov.?314300，China)

Based?on?the?principle?of?dynamic?balancing?of?reactor?coolant?pump,?the?paper?describes?that?when?the?high?vibration?status?occurred?for?the?reactor?coolant?pump,?vibration?spectrum?is?used?to?diagnose?the?unbalance?fault?via?the?vibration?monitoring?system,?dynamic?balancing?process?on?site?has?been?performed?to?reduce?the?reactor?coolant?pump?vibration?in?a?normal?level?during?the?commissioning?operation?of?Qinshan?II?Unit?3?&?4,?and?the?disposing?experience?is?useful?for?the?dynamic?balancing?of?reactor?coolant?pump?of?the?same?type.

reactor?coolant?pump;?dynamic?balancing;?vibration;?spectrum

TL37??Article character：A??Article ID：1674-1617(2014)02-0145-05

TL37

A

1674-1617(2014)02-0145-05

2013-12-05

肖孝鋒（1981—），男，湖南衡山人，工程師，碩士，主要從事核電設(shè)備采購(gòu)與管理工作。