海南核電反沖洗水泵振動大問題淺析

張 煜 岳源洲 邢 孟

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、前言

海南昌江核電廠PX泵房反沖洗水泵為單級、單吸、雙蝸殼立式離心泵，整體布置如圖1所示，配鼠籠式異步電動機，工作轉(zhuǎn)速2950 r/min，中心高225 mm，其與泵共用一個支架，參考《JBT 8097-1999泵的振動測量與評價方法》，該泵屬于第二類離心泵，振動監(jiān)督標準＜2.8 mm/s合格。

海南核電1號機組配置4臺該型泵組，編號1CFI101PO～1CFI104PO，在安裝完成后，試運過程中出現(xiàn)了多臺泵組出現(xiàn)了較為明顯的電機及泵體的振動較大情況，現(xiàn)將總體試驗表現(xiàn)及原因進行分析。

圖1 反沖洗水泵組

二、試驗過程及表現(xiàn)

各泵組在2013年8月完成安裝，進入單體及帶載試運，過程中出現(xiàn)了多次電機單體和整體泵組的振動超標情況，匯總?cè)缦拢?測量單位 mm/s）。

2013-09-06下午，1CFI104PO和101PO進行了帶載試車，結(jié)果1CFI104PO振動超標。

2013-09-12，1CFI102PO進行了空載和帶載，空載時電機振動合格，帶載電機不合格。

2013-09-14對1CFI102PO及1CFI101PO進行了帶載試運，啟動初期泵體和電機振動均合格，半個小時后電機振動合格，泵體振動均超標。

2013-11-13對1CFI102PO和104PO進行了帶載試車，其中1CFI102PO泵體振動合格，電機水平方向3.3～3.5 mm/s，振動超標，1CFI104PO泵體、電機振動均超標達到了4～4.5 mm/s。

2013-12-19上午1CFI102PO和1CFI104PO互換電機進行了檢測，振動超標。

2013-12-31試運1CFI104PO反沖洗水泵，振動超標，地腳螺栓進行調(diào)整后，振動調(diào)整合格。

2014-02-13 對 1CFI101、102、103、104PO 電機的空載試車工作。其中1CFI101、102PO電機數(shù)據(jù)正常，1CFI103、004PO電機振動超標。

2014-04-24啟動1CFI101PO反沖洗水泵進行電機空載試車，啟動初期振動值在1.8 mm/s左右，隨時間增長，振動值波動在 2～3.5 mm/s之間，不合格。

2014-08-08上午1CFI103PO反沖洗水泵帶載試車，電機振動值4.4 mm/s，不合格，調(diào)整后振動達到1.7～2.3 mm/s。

針對以上試運狀況，調(diào)試人員對4臺泵組進行了檢查軸系對中及軸承零部件檢查等操作，效果不明顯，后分別采取了增加臨時支架和基礎(chǔ)加固等操作，使得各泵組振動值基本接近合格水平，但在隨后的工程需要而再次啟停后，各泵組又不同程度的出現(xiàn)了振值反復(fù)和波動甚至超標情況，每次需經(jīng)長時間調(diào)整后方能達到運行要求，但也不能保證再次啟動后的效果。

三、振動特點及分析

1.振動特點

（1）振動表現(xiàn)具有方向性。無論是電機和水泵，試運中多表現(xiàn)為橫向（即水平）方向振動值較大，垂直方向（軸向）較小。

（2）振動幅值變化具有較強的敏感性。主要表現(xiàn)為處理過程中調(diào)整電機支座等部位的連接螺栓緊力、檢查并研磨接觸面水平等操作對振動幅值有較大的影響，但影響方向不確定，如2013.12.12試運104PO，初期電機7.9 mm/s，后調(diào)整振動較大位置螺栓，該方向振動值下降為2.2 mm/s，但與其垂直方向則從2.9增加至3.5 mm/s；

（3）振動幅值變化不穩(wěn)定。不止一臺泵組出現(xiàn)有運行初期合格，而隨運行時間延長，振動值增長并超標的情況，或出現(xiàn)有振動幅值反復(fù)波動的漂移現(xiàn)象；

（4）振動成分較為單一。圖2為104PO在2014.8.12的測量數(shù)據(jù)，從頻譜看，組成中峰值頻率明顯，表現(xiàn)為49.5～49.77 Hz成分，參考設(shè)備轉(zhuǎn)速對應(yīng)為轉(zhuǎn)速頻率項，其余在振動較高情況時也表現(xiàn)為類似現(xiàn)象。

圖2 1CFI103PO振動頻譜

2.原因分析

（1）振動具有方向性。各泵組試運中均表現(xiàn)為橫向水平振動較高，軸向振動值較小，這是立式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)機較為常見的振動表現(xiàn)，此現(xiàn)象主要與其結(jié)構(gòu)設(shè)計和現(xiàn)場安裝布置存在偏差有直接的關(guān)系。對于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在內(nèi)部各部件正確安裝，相關(guān)間隙等參數(shù)調(diào)整合格的情況下，運轉(zhuǎn)過程中振動因素的主要來源為轉(zhuǎn)子的殘余不平衡力，通常情況下，根據(jù)不同的機械設(shè)備，有不同的平衡標準，在相應(yīng)的標準要求控制下，殘余不平衡狀況處于允許的范圍內(nèi)，設(shè)備振動值也不會較大，但是，由于現(xiàn)場基礎(chǔ)制作偏差，臺板加工平整度超標以及地腳螺栓緊固不均等原因，則會對設(shè)備振動有一定的影響，一般的會形成設(shè)備支撐系統(tǒng)動剛度水平的下降。在線性系統(tǒng)中，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與它的動剛度成反比，見（1）式表示。

式中A——振幅

P——激振力

Kd——部件動剛度

因此，即使是轉(zhuǎn)子制造控制合格，殘余不平衡力較小，但是，由于安裝偏差降低了支撐系統(tǒng)的動剛度，這樣在同等級別的激振力作用下，也會呈現(xiàn)出較明顯的振動水平。相對的，對于立式轉(zhuǎn)機設(shè)備的消振操作，也可由同樣的出發(fā)點加以考慮，即可以通過精細化安裝和加強泵組支撐剛度來弱化結(jié)構(gòu)因素的影響，以達到降低振動幅值的目的。

（2）振動幅值較強的敏感性。各泵組在試運中，多次采用了基礎(chǔ)加固以及各結(jié)合面螺栓緊力調(diào)整方式，以期進一步改善振動狀況，但不同程度的出現(xiàn)在調(diào)整合格后，停機再次啟動后振動又超標的情況，尤其是在泵組不停機過程中，進行電機地腳螺栓松緊程度調(diào)整操作時，振動幅值變化明顯，這顯示電機支撐面存在有一定的虛接觸，或結(jié)合面接觸不良情況，此時結(jié)合面兩側(cè)在運行中就會有一定的差別振動情況，即使對緊固螺栓施加了大的力矩，只能使支撐面產(chǎn)生附加變形，而不能從根本上消除或改善差別振動，相反有可能進一步惡化了接觸不良現(xiàn)象，另外，電機基礎(chǔ)剛性不足時，也會在螺栓緊固調(diào)整過程中放大影響程度，使得振動結(jié)果產(chǎn)生較強的敏感性。

（3）振動不確定性。如果設(shè)備較高的振動是由于機械原因所致，包括立式電機的安裝位置較高形成的擺度偏差，軸系對中不良以及殘余平衡力大等方面，其所產(chǎn)生的振動表現(xiàn)與轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)明顯，會隨轉(zhuǎn)速變化而變化，另一方面，由于電機從冷態(tài)啟動至正常運行狀態(tài)需要有一定的時間，以達到金屬部件的熱態(tài)穩(wěn)定，而過程中如出現(xiàn)內(nèi)部轉(zhuǎn)子、定子部件等膨脹不均、匝間短路等異常時，則會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲、輕微摩擦等附加不平衡影響，導(dǎo)致有振動的異常及不穩(wěn)定變化，特別的，即使電機空載試運正常，但如有轉(zhuǎn)子籠條裂紋等隱性問題，也會在帶載后使轉(zhuǎn)子徑向溫度不均而輕微變形、不平衡力增加的情況，從而表現(xiàn)出隨運行時間的增長振動逐步變化的現(xiàn)象。

海核該泵組為定速泵，電氣開關(guān)合閘后會很快達到工作轉(zhuǎn)速，但電機內(nèi)部達到熱態(tài)穩(wěn)定一般3～4 h，雖然多次試運中，有振動值變化情況，但基本均表現(xiàn)每次啟動后達到工作轉(zhuǎn)速后的短時間內(nèi)振動值不同，即歷次啟動后的重復(fù)性較差，而不是長時間運行過程中仍出現(xiàn)振動值的漂移情況，因此，該型振動的不確定性原因基于機械安裝方面的可能性更大些。

（5）振動組成表現(xiàn)單一。測量電機和水泵的振動頻譜，振動值較大的表現(xiàn)中，存在有明顯而單獨的組成成分，經(jīng)查對應(yīng)于轉(zhuǎn)速頻率峰值，其貢獻值占振動總量的90%以上。對于轉(zhuǎn)動機械而言，沒有設(shè)備安裝和間隙調(diào)整不當、零部件本體異常以及工作介質(zhì)擾動等情況下，振動組成的通常表現(xiàn)即為單一的一倍頻情況，但是如其峰值較大，則說明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有明顯的平衡殘余存在，以及支撐剛度偏弱或共振等原因，另外，嚴重的對中不良也會有明顯的一倍頻出現(xiàn)。

通過以上分析，結(jié)合各泵組在帶載和空載的試運表現(xiàn)，以及運行中螺栓調(diào)整的響應(yīng)狀況，認為此型泵組的振動異常主要原因，一是電機支撐面部位存在接觸不良情況，運行中出現(xiàn)有一定的振動差別，使得需要在運行中進行螺栓緊力調(diào)整，振動值才能達到合格水平。二是基礎(chǔ)總體剛性較弱，使得在較小的甚至是合格的不平衡激振力作用下，也會由于系統(tǒng)穩(wěn)定性差而產(chǎn)生較高的振動表現(xiàn)，這從運行中松緊結(jié)合面螺栓、加大或放松支撐力度等微小操作均能明顯產(chǎn)生振動響應(yīng)予以證實。三是存在有一定的基礎(chǔ)共振情況，圖3為對泵組基礎(chǔ)固有頻率測量，顯示其中主要成分與運行中高振動頻譜的峰值頻率值非常接近，有共振影響。

四、治理方案

（1）檢查電機支撐面水平及接觸情況，對支撐面用水平儀精確找平，用紅丹粉檢查結(jié)合面接觸面積75%以上范圍，并對結(jié)合面螺栓均勻緊固，消除差別振動情況；

圖3 1CFI103PO號泵組基礎(chǔ)固有頻率

（2）針對存在的基礎(chǔ)共振情況，選擇合適部位進行基礎(chǔ)加固，以改善基礎(chǔ)固有頻率，使之遠離泵組運行頻率范圍，避免共振發(fā)生；

根據(jù)工程進展，對101PO水泵進行了相應(yīng)的電機結(jié)合面接觸情況處理，同時進行基礎(chǔ)加固措施，具體為把相互獨立的3個混凝土支墩,橫向用槽鋼連接固定，降低了其在豎直方向上過于單薄的影響，使其聯(lián)成一體，受力統(tǒng)一，在靠近高點位置增加水平剛性支撐，減小了水平方向上基礎(chǔ)的振動。泵組試運后，振動值明顯減低至2.3 mm/s左右，達到了合格水平。

五、結(jié)論

此次反沖洗水泵的振動值降低，關(guān)鍵在于總結(jié)了其空載、帶載等不同工況下的試運現(xiàn)象和特點，并通過頻譜分析，確定振動組成，有針對性的查找了故障原因并制定相應(yīng)的措施予以實施，消振方向較為正確，從而達到了改善振動水平的效果，同時，為使泵組長期保持穩(wěn)定合格水平，將考慮進一步改善泵組支撐狀況：由于泵組豎直方向尺寸較大，位置越高點振動值會越大，而支撐點越高會有利于振動的改善，選擇以靠近電機支座處為支撐部位，另外，也可通過精細動平衡降低激振力，從而減小基礎(chǔ)剛性不足對振動的響應(yīng)，以達到徹底降低振值的目的。