核電站立式長軸泵電動機振動故障診斷及處理

付江永， 劉明利， 王鴻雁

(山東核電有限公司, 山東煙臺 265116)

立式長軸泵在核電站中應用廣泛，但由于其軸系長、重心較高、機座尺寸小等，容易引起其配套電動機產生結構共振。筆者利用頻譜分析及固有頻率分析方法，結合某核電站服務水泵配套電動機振動異常的案例，研究結構共振的機理，采取合理可行的處理措施，以尋求有效降低振動的方法，為今后類似問題的故障診斷及快速處理提供參考。

1 振動現象

1.1 泵結構

核電站服務水泵位于核電站循環水泵房內，從電站海水入口渠吸水，向設備冷卻水系統的熱交換器輸送海水，在核電站停堆、熱備用、啟動和正常功率運行模式下，通過設備冷卻水系統向核電站核島內各種設備提供冷卻。服務水泵為立式、單級長軸離心泵，配備立式空冷式電動機，聯軸器采用剛性聯軸器。水泵主要技術參數見表1，泵組結構及振動測點見圖1。

表1 核電站服務水泵的基本參數

1—上軸承東西方向振動測點；2—上軸承南北方向振動測點；3—上軸承東西方向錘擊位置；4—上軸承南北方向錘擊位置；5—下軸承東西方向振動測點；6—下軸承南北方向振動測點

圖1 泵組結構及振動測點示意圖

1.2 振動測量

服務水泵組在調試期運行過程中出現配套電動機振動大故障，經解體檢修未發現泵組本體缺陷，重新安裝后振動依然無法降低。運行時泵組振動速度測量結果見表2，服務水泵電動機上、下軸承東西方向振動超過報警值(2.8 mm/s)。對電動機上軸承進行相位差測量及頻譜分析，測得電動機上軸承南北和東西方向振動相位差為180°，電動機上軸承頻譜圖見圖2，電動機下軸承頻譜圖見圖3。

表2 服務水泵振動速度測量結果 mm/s

圖2 電動機上軸承振動頻譜圖

圖3 電動機下軸承振動頻譜圖

1.3 振動分析

由頻譜分析可知，振動主要以1倍頻為主，無其他故障頻率，屬于普通強迫振動[1]。對普通強迫振動而言，部件呈現的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與其動剛度成反比：

A=F/K

(1)

式中：A為振幅；F為激振力；K為部件動剛度，表示部件產生單位振幅(位移)所需的交變力。

K=k/β

(2)

(3)

因此轉子對不平衡的響應取決于兩方面的因素：(1)不平衡激振力的大小； (2)轉子系統動態特性，包括剛度、阻尼和固有頻率。

1.3.1 不平衡激振力故障排查

從式 (1)中可以看出，激振力增加必然導致振幅增加。轉子上激振力的來源主要有轉子殘余不平衡量以及電動機與泵的對中情況。經查看泵組出廠數據，電動機轉子及泵轉子均做過動平衡試驗，數據均滿足規范要求；選取電動機上軸承東西方向及南北方向進行振動相位測量，測點位置見圖1中1、2點。經測量電動機上軸承南北方向與東西方向振動相位差為180°，不符合不平衡的振動特征，因此基本可排除不平衡故障。另一方面通過查看維修記錄，電動機與泵聯軸器對中控制在50 μm范圍內，同時頻譜中無不對中的故障頻率，因此排除不對中產生激振力的可能。

1.3.2 系統固有動態特性分析及共振原因分析

由式(3)可知，當系統ωn接近或等于ω時，若阻尼較小，則β達到最小值，振動幅度將在外部激振力作用下變得非常大，即為共振。由表2可知，電動機上軸承東西方向振動明顯大于南北方向振動。由于電動機為立式安裝，電動機產生的激振力在南北方向及東西方向上一致，引起南北方向和東西方向振動差異的原因在于動剛度不同，現場電動機的支架在東西方向上存在檢修口，并且布置了出水管道，這兩方面的原因在一定程度上導致了東西方向和南北方向剛度的差異，進而引起了電動機南北方向和東西方向振動的差異。

錘擊試驗頻譜見圖4和圖5。

圖4 南北方向錘擊試驗結果

圖5 東西方向錘擊試驗結果

基于以上分析，現場決定對電動機上軸承進行錘擊試驗以測量泵組固有頻率[2]。由于泵組質量較大，進行錘擊試驗時需要較大的激振力，為防止過大的激振力損壞軸承，錘擊試驗測點選擇在電動機上部軸承室下方的電動機外殼處(見圖1中3、4點)。經測量，電動機上軸承東西方向固有頻率為15 Hz，電動機上軸承南北方向固有頻率為13 Hz。

泵組轉速頻率為16.5 Hz，泵組共振的避開率為±10%，即要求在14.85～18.15 Hz不應存在共振頻率，而東西方向的固有頻率為15 Hz，恰好落入此頻率范圍內，引起了結構共振。南北方向固有頻率為13 Hz，與轉速頻率差值相比東西方向較大，振動較小。從固有頻率的測量結果及振動測量結果分析，引起泵組系統東西方向振動大的原因可能為結構共振。

2 振動處理

如果存在結構共振，可以從改變剛度或改變參振質量來改變結構的固有頻率[3]。 對于已有的結構而言，改變質量往往不現實，比較多的是從改變系統剛度著手。由于系統剛度除了與機架及基礎本身剛度相關外，還與各結合面間的連接剛度有關，這種連接包含軸承座、端蓋以及相關管道的連接狀況。現場采取兩種方案嘗試改變固有頻率：(1)增加泵組系統剛度以提高固有頻率；(2)減弱泵組系統剛度以降低固有頻率。

2.1 增強系統剛度試驗

系統剛度包括各結合面的連接剛度以及支架的結構剛度[4]。為增強各結合面的連接剛度，一方面對電動機支架法蘭面進行重新加工，在回裝過程中使水平度控制在優秀水平；另一方面加大電動機與支架結合面、電動機支架與泵支架結合面連接螺栓的力矩。為了保證連接效果，對螺栓緊固次序進行嚴格控制，即同時緊固對角方位結合面上的螺栓，分1～3次均勻地增加緊力，逐步將螺栓同步緊固到位，可以有效防止端面連接不緊，同時避免法蘭面受力不均。為增加電動機支撐結構剛度，現場在電動機支架東南西北四個方向各架設1個千斤頂，并嚴格控制千斤頂的頂升力度。

起機后進行振動測量，電動機上軸承東西方向振動速度下降至5.5 mm/s，但南北方向振動速度上升至4.7 mm/s，超過標準值(2.8 mm/s)。增強剛度后經錘擊試驗南北方向固有頻率為15 Hz，東西方向固有頻率為18.5 Hz，結果見圖6、圖7。由振動測量結果及固有頻率測量結果可以看出泵組系統剛度及固有頻率提高量有限，雖然東西方向振動由所下降，但南北方向振動卻明顯上升，原因為：在質量不變的條件下，南北方向系統剛度的提高必然導致其固有頻率的上升，南北方向最初固有頻率為13 Hz，剛度提高后，其固有頻率上升并落入了共振區間內，從而導致振動明顯上升，而東西方向由于泵組剛度提高后其固有頻率偏離了共振區間，振動則有所下降。

圖6 增強剛度后南北方向錘擊試驗結果

圖7 增強剛度后東西方向錘擊試驗結果

2.2 減弱系統剛度試驗

為減弱泵組系統剛度以降低固有頻率，現場撤掉千斤頂后，降低各結合面連接螺栓的力矩，并松開電動機與電動機支架結合面西北角處的連接螺栓，電動機東西方向振動速度突降至3.3 mm/s，南北方向振動速度降低至1.81 mm/s，但東西方向振動速度仍然不能滿足2.8 mm/s的標準。為進一步調整系統的固有頻率，現場在電動機與電動機支架結合面西北角處增加了厚度為2 mm的青稞紙墊片，一方面增加阻尼部件可抑制共振的發生，另一方面在電動機與支架結合處制造出虛腳，連接剛度會下降，泵組的固有頻率將隨之降低。減弱系統剛度后固有頻率測量結果見圖8、圖9。

圖8 減弱剛度后南北方向錘擊試驗結果

圖9 減弱剛度后東西方向錘擊試驗結果

電動機啟動后振動速度測量結果見表3，通過適當降低泵組固有頻率，電動機上軸承東西方向和南北方向振動均滿足振動標準要求。

表3 調整固有頻率后的振動速度測量結果 mm/s

3 處理效果

比較表2和表3可以看出，電動機的振動特征由東西方向振動較大變化為南北方向振動較大。產生這種變化的原因為：降低泵組系統的剛度使得東西方向固有頻率偏離了共振區間，振動出現了大幅下降；而根據式(1)可知剛度的下降必然導致振幅的上升，所以南北方向剛度下降，使得南北方向振動略有上升。

經過以上分析，采取連接剛度避開固有頻率的方法須慎重考慮，只有系統本身的剛度足夠高時，方可采取這種方法。對于本文所涉及的泵，其系統設計的剛度已經較高，這一點可以通過增加系統剛度的嘗試中看出，在現場實施增加剛度的措施后，其固有頻率的上升量較小，原因在于其結構本身的剛度及連接剛度已經在較高水平，難以通過臨時措施提高其固有頻率。

4 結語

通過對服務水泵配套電動機的振動問題處理，可以得到以下結論：

(1) 頻譜分析與固有頻率分析方法可快速準確診斷結構共振故障。

(2) 對于本身剛度已經較高的結構，減弱剛度及增加阻尼是解決結構共振故障的一種有效方法。

(3) 在通過調整剛度解決結構共振問題時，須兼顧各方向固有頻率與剛度的關系，防止出現一個方向振動降低，而另一方向振動上升的現象。