核電廠調試階段旋轉設備振動測量與故障分析

摘 要：一臺核電機組從設計、采購、安裝、調試到運行，每一個環節結都至關重要。為保證核電廠轉機設備的處于安全可控的運行狀態，在調試期間就建立了旋轉機械離線振動監測系統。依托專業的測量儀器和分析軟件，配合振動分析專業知識，對振動超標的設備進行了故障分析，進行相應的維修處理后，振動達到了健康水平，為核電站調試的順利進行提供了強有力的保障。

關鍵詞：振動監測系統 振動測量 故障分析

中圖分類號：TH165文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（c）-0060-02

在現代化生產中，機械設備的故障診斷技術越來越收到重視，如果某臺設備出現故障而未能及時發現和排除，其結果不僅會導致設備本身損壞，甚至可能造成機毀人亡的嚴重后果。在連續生產系統中，如果某臺關鍵設備因故障而不能繼續運行，往往會殃及全廠生產設備的運行而造成巨大的經濟損失。對核電廠來說，運用故障診斷技術，及時發現設備故障盡早切換至備用進行維修，是減少事故發生、減小經濟損失、避免危害的有效手段。

振動，是設備運行狀態的一項重要評價指標。振動的大小直接決定了設備能否繼續進行連續的生產運行。在機械工業和其他工業部門存在著難以數計的有害振動問題，這些問題正在招致巨大的損失或者隱藏著可怕的禍根，以振動工程的理論、技術和方法來研究與解決這些問題，是當務之急。[1]

1 核電廠振動研究

電廠運行中的設備和結構普遍存在機械振動，如汽輪機、發電機、風機、水泵等旋轉機械的振動，軸承座、汽缸、發電機定子、凝汽器等固定結構的振動，汽、水管道及熱交換器的振動，甚至廠房、混凝土基礎、橫縱梁等土建結構的振動。對核電廠重要設備進行振動振動測量與分析，進行預防性診斷，能有效防止振動突發事故的發生，最大化的降低經濟損失，消除安全隱患。2005年，某核電廠曾利用高頻振動頻譜的監測，發現某核二級泵齒輪箱小齒輪的的早期磨損，根據發現的問題，進行及時的處理后預防了嚴重磨損事故的發生。

1.1 CSI2130在核電的應用

核電廠旋轉機械振動測量與分析廣泛使用機械狀態分析儀CSI2130進行數據采集，應用配套管理軟件“AMS Machinery Manager Client”進行數據庫管理與振動分析。由愛默生制造的CSI2130，可用于低頻振動監測，也可用于高頻振動分析，并且具有Peakvue分析的專利技術，Peakvue著眼于分析由于軸承金屬沖擊、刮擦以及研摩等原因造成的壓力波形，適用于監測從超低速旋轉機械到高速旋轉機械的軸承故障。

1.2 CSI2130振動測量與分析原理

1.2.1 數據采集和分析

數據采集是設備狀態監測與故障診斷的重要而基礎的環節，所采集數據的質量直接影響后續信號分析的精度和結果。測試過程中傳感器將反映被測試對象特性的物理量（加速度等），檢出并轉換為電量，然后傳輸給中間變換裝置；中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經A/D變換后用軟件進行計算，再將處理結果以電信號或數字信號的方式傳輸給顯示記錄裝置；最后由顯示記錄裝置將測量結果顯示出來，提供給觀察者或其他自動控制裝置。

CSI2130機械狀態分析儀采用壓電式加速度傳感器，將振動信號轉換為電壓信號。分析方法中除常用的時域分析、頻域分析、幅值分析外，還具備獨特的PEAKVUE峰值分析法和CSI低速技術，用于監測軸承故障。

1.3 核電振動分析實例

某核電廠安裝調試期間，振動問題主要集中在安裝不到位以及制造安裝工藝不合理。比如早期發現問題的安全廠用水泵，軸承端蓋螺栓不緊；主送風風機1DVC003ZV地腳不平衡；以及后期很難處理的低壓安注泵、安噴泵都是由于安裝上的問題，導致振動超標。

1.3.1 CSI2130常規頻譜分析實例

某核電廠PX泵房安全廠用水泵1SEC004PO首次試運行，聯軸器下泵推力軸承處泵體上振動偏大達3.8 mm/s，超出了驗收值2.8 mm/s。振動頻譜如圖1所示。

泵轉速為745 r/min，根據振動頻譜圖可以清晰的看到，振動值1X倍頻分量很小，說明不存在質量不平衡；頻譜圖上看2X倍頻分量沒有，加上1X倍頻分量較小，說明不存在轉子不對中。超出的振動主要集中在三倍頻處，且有較小的高頻諧波，符合松動的頻譜特征。SEC泵為立式核級泵，根據電機以及泵的振動數據特征可以排除地腳松動。鑒于振動故障緊發生在聯軸器下發的軸承處，因此診斷為泵驅動端軸承安裝故障。后經檢查此處軸承端蓋螺栓力矩不滿足安裝要求，處理后此處振動降為1.5 mm/s。

1.3.2 PEAKVUE峰值分析實例

Peakvue著眼于分析由于軸承金屬沖擊、刮擦以及研摩等原因造成的壓力波形，適用于監測從超低速旋轉機械到高速旋轉機械的軸承故障。不同于檢波分析法，峰值分析法不需要低通濾波器，在低速分析中，峰值分析比檢波分析更有效。

某核電廠1#機組余熱排出泵為核二級臥式泵，額定流量910 m3/h，揚程77 m，最小流量120 m3/h，振動限值2.8 mm/s；其配套電機額定轉速1500 rpm，額定功率355 kW，振動限值1.8 mm/s。電機非驅動端軸承NU 324 ECML/C3，電機驅動端軸承6326 MA/C3 S0。

電機空載試驗時，振動速度值為0.3 mm/s。但進行peakvue檢測時，發現驅動端軸承數據存在異常，peakvue頻譜如圖2所示。測量結果中，peakvue值集中在2 g·s與3 g·s之間，有效值為2.8 g·s，峰值為8.3 g·s，高于此項的監測經驗值3 g·s。圖2頻譜圖中，出現幾個頻率段的尖峰能量，這表明電機運行過程中軸承處存在沖擊。

電機連泵帶載再次進行測量，發現電機驅動端軸承監測數據peakvue值存在的異常進一步擴大，振動能量集中在5 g·s到10 g·s之間，有效值為8.1 g·s，峰值為22 g·s，高于此項的監測限值3 g·s。盡管帶載后10到1 kHz頻率范圍內的振動總量僅為0.7 mm/s，但peakvue值的數據超大，必須成為另外一項考慮的問題。為了進一步確定問題所在，在現場進行了高頻段振動速度的測量，發現存在4KHz左右的高頻振動，計算高頻后振動速度總值達到2.0 mm/s。查看帶載后peakvue頻譜圖（圖3），可以很明顯的看到尖峰能量頻率與軸承內圈故障頻率（BSF）重合。

根據現場轉機特征以及peakvue特征分析，以下情況造成造成軸承故障頻率出現：

（1）頻譜圖中的高頻振動，是軸承早期故障的高頻能量；

（2）余熱排除泵電機為新機啟動，潤滑油脂存在污染等質量問題，油脂不足等。

為改善軸承運行狀態，更換了油脂，再次啟動，peakvue值降為1.2 g.s，軸承狀態分析數據處于可接受的范圍之內。鑒于以上分析，將此泵列入重點關注的范圍，密切關注軸承peakvue值的發展趨勢。

2 結語

核電廠安裝調試期間，廣泛應用完善的振動測量與分析系統CSI2130，發現并成功解決了振動問題。運用peakvue技術分析了各轉機設備的軸承狀態，發現設備的早期故障隱患，掌握設備故障的發展趨勢，用以保證廠內的轉機設備處于安全、可控的運行狀態。

參考文獻

[1]師漢民機械振動系統——分析·測試·建模·對策[M].2版.華中科技大學出版社，2004.