反應堆冷卻劑泵振動診斷分析及處理

周 念

（中廣核工程有限公司 廣東深圳）

反應堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）是反應堆冷卻劑系統最重要的設備之一，其主要功能是使冷卻劑循環流動，導出堆芯熱量從而冷卻堆芯[1]。該設備的運行狀態對核電站的安全以及經濟效益有著極其重要的影響。

某核電站在機組調試以及維修期間[2]，發現有兩臺主泵在啟動過程中振動呈現增大的趨勢，在到達熱停平臺后振動位移值分別高達175 μm和219.5 μm。通過對振動故障的診斷與分析，并進行動平衡試驗，有效地改善了兩臺主泵的振動狀態，保證了主泵的安全運行。

一、反應堆冷卻劑泵和臨時診斷測量裝置簡介

1.反應堆冷卻劑泵

該核電站兩臺機組均采用CPR1000型反應堆，每臺機組分別包含3個環路，每個環路各有1臺主泵，用于驅動冷卻劑在反應堆冷卻劑系統內循環流動。兩臺機組的主泵皆選用立式、電動、單級離心泵，額定轉數均為1485 r/min，電機軸承采用油潤滑，定子繞組采用水冷卻，葉輪為7枚扭曲葉片的整體鑄件。為了監視主泵的運行狀況，每臺主泵均安裝有在線振動監測系統。

2.臨時診斷測量裝置

在機組調試以及維修期間發現其中兩臺主泵發生振動異常，然而上述在線監測裝置不能系統反映振動的波形、頻率、相位以及軸心軌跡等參數，無法對泵的振動進行深入分析，不利于解決泵的振動問題，因而需要安裝臨時診斷測量裝置，對泵的振動進行全面、科學的診斷分析。該裝置由振動數據采集儀和6個振動傳感器等部件組成，振動數據采集點布置如 圖1所示。采集點①處兩個振動速度傳感器互成90°安裝在主泵電機上軸承平面上，采集點②處兩個振動速度傳感器采用同樣的方法安裝在電機下軸承平面上，采集點③處兩個振動移位傳感器互成90°安裝在電機與泵聯軸器平面上。此外，在聯軸器上貼有反光紙作為鍵相零位，同時利用激光轉速儀采集相位信號。

二、振動數據測量以及故障診斷

1.振動數據測量

圖1 主泵振動數據采集點布置示意圖

1號主泵在調試期間振動出現異常，在冷態下啟動主泵時振動較大，其軸位移達到140 μm左右；隨著機組的上行升溫升壓，振動數值持續增大，當一回路達到熱停平臺時，振動數值到達175 μm左右，且在每次啟停主泵時振動都有增大的趨勢。

2號主泵在維修后啟動主泵時，其軸位移達到190 μm左右；隨著機組的上行振動數值持續增大，當一回路達到熱停平臺時，振動數值到達219.5 μm左右。

2.振動故障診斷

引起主泵振動的原因有很多，如支撐座剛度不足、聯軸器缺陷、動靜部件摩擦、轉子熱變形、轉子不平衡等。每一種原因導致的故障都有其各自特征，而相同的振動特征可能是由不同的振動原因引起，只有正確分析導致泵振動的原因，對癥下藥，才能解決泵的振動問題，保證泵的安全、可靠運行[3]。

圖2 主泵振動頻譜圖

通過臨時測量裝置采集泵的初始振動參數可有效定位引起泵振動的原因，由測量裝置測得的兩臺主泵的頻譜圖如圖2。

由圖2可見，兩臺主泵的振動主頻率均為25 Hz左右，而泵的額定轉數均為1 485 r/min，振動的主頻為與轉速同步的工頻分量。由此可知，引起該主泵振動的原因可能是轉子不平衡、轉子熱變形、動靜摩擦、支撐座剛度不足等。

對繪制的軸心軌跡圖進行分析，可以發現兩臺主泵的軸心軌跡均為橢圓形，沒有出現“8”字形或“香蕉”形波形，且曲線較為光滑沒有明顯毛刺，整個軌跡圖為正進動狀態，沒有出現反進動狀態。由此可以得出，聯軸器對中不良以及動靜摩擦不是導致該主泵振動的原因。

對繪制的波形圖進行分析，可以發現兩臺主泵的振動波形均為正弦波，曲線較為光滑，沒有出現毛刺現象，也沒有出現削波、拍形波以及高低頻混合波形的現象。由此可以排除動靜摩擦、軸承損壞、相近頻率振動等故障。

同時，當兩臺主泵運行在一個穩定狀態時，振動的幅值以及相位均維持穩定，而在進行升溫升壓以及主泵的啟停時振動均呈現上漲的趨勢。可知，主泵轉子存在一定的熱變形。

此外，兩臺主泵配備的電機支撐于泵殼的接觸面積在75%以上，電機的支撐座在上下高度相近的兩點振幅差均＜8 μm，且在圓周上同一高度的兩點振動幾乎相等，電機繞組以及軸承各溫度測點測得的溫度一致，由此排除支撐系統剛度不足、膨脹不暢等故障。

通過上述分析發現振動故障具有如下特征：波形為正弦波，軸心軌跡為橢圓形，主頻為與轉速同步的工頻分量，振動幅值和相位在穩定平臺時較為穩定。綜上可知，引起兩臺主泵振動異常的原因為轉子不平衡以及轉子熱變形。

轉子不平衡是旋轉機械最常見的故障原因，通常采用動平衡試驗的方法，在轉子適當的部位上加重或去重，調整轉子質心位置，以使不平衡力減小到能夠滿足泵穩定運行的條件。

針對轉子熱變形故障，通常采用熱平衡的方法來處理。熱平衡主要是在制定加重方案時兼顧考慮空載和滿負荷下的振動，但通過對振動參數分析發現，負荷在變化時熱變形的幅值變化較大，此外兩臺主泵處于剛開始運行狀態，運行時間較短，無法判斷長時間運行時熱變形量是否穩定，因而不適合采用熱平衡處理方法來處理。

針對上述原始振動和熱變形量都較大的現象，可采取動平衡的方法將轉子不平衡引起的振動減小，同時由熱變形引起的振動也將隨之減小[4]。因此，針對上述兩臺主泵的振動故障，采取動平衡的方法來處理是科學、合理的。

三、動平衡試驗

動平衡前兩臺主泵的原始振動參數見表1。

動平衡基本思路是[5]：首先選定平衡轉速，平衡轉速必須是恒定的，再通過加重試驗求出加重對振動的影響系數，進而求出應加的平衡質量。剛性轉子（工作轉速低于臨界轉速）動平衡通常需要兩個平面，而上述兩臺主泵的轉子失重面均為一個確定平面，可以采用單平面的平衡方法來處理。

根據主泵動平衡的經驗，考慮各種不確定因素后，決定在1號、2號主泵聯軸器處分別加配重846 g和790 g。試加配重后測得的振動參數見表2。

表1 主泵原始振動參數

表2 首次試加配重后振動參數

由表2可知，1號主泵在試加配重后，軸振位移從175 μm左右降至80 μm左右，振動得到有效控制，泵達到良好的運行狀態，不需要再次添加配重；2號主泵的軸振位移從219.5 μm左右降至161 μm左右，振動得到一定改善，但軸振動位移仍較大，需要根據影響系數進行第二次添加配重。

2號主泵最終確定再添加1005 g的配重進行第二次動平衡試驗，試驗前后振動參數如表3所示。

由表3可見，2號主泵在第二次添加配重后，軸振位移從161 μm左右降至66.5 μm左右，振動得到進一步控制，保證了泵的安全運行。

四、結束語

振動是泵較為常見的故障，主泵作為反應堆冷卻劑系統的重要設備，其安全、可靠的運行對核電站起著至關重要的作用。通過對核電站兩臺主泵振動的測量和診斷，分析了導致振動故障的原因，并通過動平衡試驗，將兩臺主泵的振動降低到較低水平，保證了主泵安全可靠地運行，為核電站的安全和效率提供了保障。

表3 動平衡前后2號主泵振動參數

1 廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2004

2 趙振宇，高培.嶺澳核電站動平衡[J].中國設備工程，2011，4：32～33

3 楊建剛.旋轉機械振動分析與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2007

4 姜元鋒，傅汝楫，包玉宏.鍋爐給水泵振動診斷及案例分析[J].機械強度，1987，6：6～12

5 王維民，高金吉，江志農，李燕.旋轉機械無試重現場動平衡原理與應用[J]. 振動與沖擊，2011，29（2）：212～215