核電主泵連接管道振動(dòng)故障診斷與改進(jìn)措施研究

王琇峰，洪銀聰，周正平，張福海

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049；2.中國(guó)核電江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

管道作為核電站工藝系統(tǒng)的重要組成部分，健康狀態(tài)關(guān)系到核電站運(yùn)行的可靠性。管道振動(dòng)問(wèn)題與旋轉(zhuǎn)設(shè)備的工作頻率有關(guān)，還受管道材料、長(zhǎng)度、支吊方式、流體特性等因素影響，過(guò)大的管道振動(dòng)引起疲勞損壞，影響核電廠的正常運(yùn)行，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。與管道連接的旋轉(zhuǎn)機(jī)械殼體振動(dòng)、流體脈動(dòng)、風(fēng)載荷等激勵(lì)源都可能導(dǎo)致管道振動(dòng)，當(dāng)這些激勵(lì)源頻率和管道固有頻率接近時(shí)，管道發(fā)生共振，振動(dòng)幅值急劇增加，加速管道疲勞損傷。減小激勵(lì)力或調(diào)整系統(tǒng)固有頻率是解決管道振動(dòng)問(wèn)題的常用技術(shù)手段。文獻(xiàn)[1]通過(guò)ANSYS 軟件得到火電廠給水再循環(huán)管道模態(tài)頻率和振型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)振動(dòng)最大點(diǎn)位置進(jìn)行約束加強(qiáng)，明顯改善管系振動(dòng)狀況；文獻(xiàn)[2]通過(guò)ANSYS 軟件建立空調(diào)管路的有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，通過(guò)調(diào)整管道結(jié)構(gòu)，改變固有頻率避開(kāi)了管路共振；文獻(xiàn)[3]通過(guò)氣體壓縮站管道的模態(tài)測(cè)試和振動(dòng)分析，提出減小振動(dòng)激勵(lì)力的方案，達(dá)到減小管道振動(dòng)的效果。文獻(xiàn)[4]通過(guò)PRO/E 建模和ANSYS 模態(tài)仿真，發(fā)現(xiàn)空調(diào)管道系統(tǒng)的第四階固有頻率與壓縮機(jī)的激振頻率非常接近，發(fā)生共振，最終通過(guò)減小管道長(zhǎng)度和增加約束的方式使共振帶遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率，改善振動(dòng)問(wèn)題。針對(duì)核電站主泵水導(dǎo)軸承冷卻出水管振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)故障診斷工作，綜合振動(dòng)數(shù)據(jù)和有限元仿真分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施，最終成功解決管道振動(dòng)問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

國(guó)內(nèi)核電廠機(jī)組3#主泵在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)軸承冷卻水出水管道焊縫出現(xiàn)裂紋，出水管道結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

對(duì)3#主泵出水管道焊縫裂紋修復(fù)后，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)該管道振動(dòng)幅值明顯高于相鄰主泵出水管道。為了解3#主泵水導(dǎo)軸承冷卻水出水管道振動(dòng)特征，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段對(duì)3#，4#主泵出水管道振動(dòng)實(shí)施監(jiān)測(cè)，圖2、圖3 展示了3#，4#主泵在運(yùn)行階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向時(shí)域波形及頻譜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和方向定義如圖1 所示。

（1）3#，4#主泵出水管道振動(dòng)信號(hào)中具有明顯的198.8 Hz及其倍頻成分，其中198.8 Hz 振動(dòng)幅值最高。結(jié)合主泵葉輪葉片數(shù)為6 及主泵工作轉(zhuǎn)速約為994 r/mim 信息，可知198.8 Hz為主泵2 倍葉頻。

（2）3#，4#主泵水導(dǎo)軸承出水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高振幅均出現(xiàn)在198.8 Hz，相應(yīng)頻率3#主泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向幅值達(dá)70.5 m/s2，明顯高出4#主泵對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向幅值。

圖1 出水管道結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 3#主泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖3 4#主泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向振動(dòng)數(shù)據(jù)

2 管道模態(tài)測(cè)試

根據(jù)運(yùn)行階段振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，與4#主泵相比，出現(xiàn)出水管道裂紋故障的3#主泵198.8 Hz對(duì)應(yīng)振動(dòng)幅值明顯偏大，是3#主泵出水管道振動(dòng)過(guò)高的主要原因，198.8 Hz 對(duì)應(yīng)主泵2 倍葉片通過(guò)頻率，管道振動(dòng)過(guò)大可能是2 倍葉頻激勵(lì)與管道結(jié)構(gòu)固有頻率耦合導(dǎo)致共振導(dǎo)致，下面通過(guò)管道模態(tài)測(cè)試驗(yàn)證此推論。

模態(tài)測(cè)試目的是得到出水管道的模態(tài)頻率，測(cè)試對(duì)象為3 號(hào)機(jī)組4 臺(tái)主泵水導(dǎo)軸承冷卻水出水管道，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與運(yùn)行階段振動(dòng)測(cè)試的布置一樣，見(jiàn)圖1。3 號(hào)機(jī)組3#主泵出水管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向模態(tài)響應(yīng)的時(shí)域波形及頻譜分析如圖4 所示。

圖4 3#主泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向模態(tài)數(shù)據(jù)

整理3 號(hào)機(jī)組4 臺(tái)主泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向1000 Hz 內(nèi)固有頻率值，如表1。

表1 測(cè)點(diǎn)垂直方向固有頻率統(tǒng)計(jì)

結(jié)合運(yùn)行階段振動(dòng)數(shù)據(jù)和模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知：①3#主泵水導(dǎo)軸承冷卻出水管垂直方向主要振動(dòng)頻率為主泵2 倍葉片通過(guò)頻率（接近198.8 Hz），且相應(yīng)頻率振動(dòng)幅值明顯大于4#泵；②3 號(hào)機(jī)組4 臺(tái)主泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向皆存在與主泵工作轉(zhuǎn)速2 倍葉頻接近固有頻率。其中1#，2#主泵高出2 倍葉頻約11.5 Hz，3#主泵該階固有頻率與2 倍葉頻偏差小于1 Hz，4#主泵小于2 倍葉頻約5.5 Hz；③3#主泵水導(dǎo)軸承冷卻出水管結(jié)構(gòu)固有頻率與2 倍葉頻激勵(lì)頻率過(guò)于接近，是導(dǎo)致運(yùn)行階段出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振并引發(fā)焊縫裂紋問(wèn)題的主要原因。

由模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，198.8 Hz 附近處的共振帶較窄，只要稍微調(diào)整出水管道的結(jié)構(gòu)剛度，使共振帶頻率上移或下移，避開(kāi)激勵(lì)頻率，即可顯著改善共振問(wèn)題，降低振動(dòng)幅值。

3 有限元模態(tài)仿真分析

3.1 有限元分析

圖5 展示了出水管道的結(jié)構(gòu)。由圖5 可知，出水管道由多段彎曲短管通過(guò)管道接頭連接而成；由圖5b 可知，管道前端通過(guò)一固定在泵殼上的支架支撐；由圖5c 可知，出水管道下方有一段核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道，而3#主泵出水管道中這2 個(gè)管道相互接觸。根據(jù)第二部分模態(tài)測(cè)試分析可知，管道結(jié)構(gòu)共振對(duì)應(yīng)的共振帶比較窄，可以通過(guò)調(diào)整出水管道的結(jié)構(gòu)剛度，使共振帶避開(kāi)激勵(lì)頻率，即可改善振動(dòng)問(wèn)題。針對(duì)管道實(shí)際結(jié)構(gòu)，提出將圖5c中相互接觸的出水管道和核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道挪開(kāi)的改進(jìn)措施，通過(guò)改變出水管道的約束條件，降低其剛度，達(dá)到改變模態(tài)頻率、使其共振帶避開(kāi)激勵(lì)頻率的目的。為更好的指導(dǎo)3#主泵出水管道改造工作，使其固有頻率避開(kāi)二倍葉片通過(guò)頻率，同時(shí)又不引入新的共振帶，利用有限元仿真手段對(duì)出水管道改造措施前后進(jìn)行模態(tài)分析，分析兩管道接觸移除前后的模態(tài)頻率和振型，評(píng)估改造措施的可行性。

圖5 出水管道結(jié)構(gòu)實(shí)物

圖6 出水管道三維建模

對(duì)管道尺寸進(jìn)行測(cè)繪，按1:1 的比例進(jìn)行有限元建模，三維模型如圖6 所示，其中圖6 模型右側(cè)管道上方還有后續(xù)的管道結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道的布置可知，后續(xù)管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且有較強(qiáng)剛度的約束結(jié)構(gòu)，而本次模態(tài)分析主要關(guān)注的是導(dǎo)致裂紋發(fā)生處出水管道振型，建模過(guò)程暫不考慮后續(xù)管道結(jié)構(gòu)，將其對(duì)出水管道的模態(tài)影響簡(jiǎn)化為對(duì)管道接頭的約束[5-6]。

將模型導(dǎo)入Workbench 軟件模態(tài)分析模塊，管道和支架材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼，管道支架管道之間有1 圈橡緩沖膠墊，材料設(shè)置為橡膠。出水管道模型由兩段管道通過(guò)管道接頭連接而成，管道接頭通過(guò)6 個(gè)螺栓進(jìn)行連接，根據(jù)實(shí)際情況將接頭與接頭的約束設(shè)置為6 個(gè)螺栓的固接約束；而管道支架處的橡膠與管道、支架之間的約束設(shè)置為有摩擦接觸，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，橡膠和鋼鐵摩擦系數(shù)設(shè)置為0.8，橡膠緩沖墊的建模如圖7a 中高亮部分所示；管道支架一端通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)與橡膠和管道之間的約束，另一端固定在泵殼上，作固接約束；管道模型兩端的接頭處對(duì)6個(gè)螺栓接觸面作固接約束，接頭螺栓接觸面建模如圖7b 所示；根據(jù)圖5c 可知，核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道位于出水管道的下方，當(dāng)2 管道接觸時(shí)，將KAA 管道與出水管道之間的相互作用可簡(jiǎn)化為二者局部接觸面積的固接約束；當(dāng)二者不接觸時(shí)，解除局部接觸面積固接約束，出水管道和核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道接觸處建模如圖7c 中高亮部分所示。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

圖7 出水管道三維模型局部圖

模態(tài)分析關(guān)注的是2 倍葉片通過(guò)頻率198.8 Hz 附近的模態(tài)頻率和及其振型，因此設(shè)置模態(tài)分析的頻率范圍設(shè)置為（90～500）Hz，取前8 階模態(tài)。將核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道與出水管道接觸前后的模型模態(tài)分析結(jié)果整理成表格，如表2 所示。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

由表2 可知，當(dāng)管道接觸時(shí)，第5 階模態(tài)頻率202.3 Hz 接近激勵(lì)頻率198.8 Hz，而當(dāng)管道接觸移除后，距離198.8 Hz 最接近的仍然是第5 階模態(tài)，對(duì)應(yīng)頻率為190.2 Hz，相對(duì)接觸移除前離激勵(lì)頻率更遠(yuǎn)。觀察管道接觸移除前后模態(tài)頻率和振型發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)模態(tài)分析結(jié)果中大部分模態(tài)振型相近，而管道接觸移除后各階模態(tài)頻率均有不同程度下降，這是由于管道接觸的移除使系統(tǒng)剛度下降，特別是豎直方向的剛度，而剛度的下降則會(huì)導(dǎo)致模態(tài)頻率的下降。接下來(lái)結(jié)合模態(tài)振型判斷第5 階模態(tài)是否為出水管道裂紋故障對(duì)應(yīng)的共振模態(tài)。圖8、圖9 展示的分別是管道接觸移除前、后第（4～6）階模態(tài)振型。

圖8 與KAA 管道接觸狀態(tài)出水管道模態(tài)振型

圖9 與KAA 管道不接觸狀態(tài)出水管道模態(tài)振型

為更好地描述出水管道各階模態(tài)，根據(jù)圖7（a）右下角所示的坐標(biāo)系定義方向，其中沿管道支架方向?yàn)閅 方向，垂直管道方向向上為Z 方向，根據(jù)右手定則，定義垂直Y、Z 向?yàn)閄 方向。根據(jù)圖7 可知，出水管道和核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道接觸解除前，4階振型為出水管道近端管道和支架共同的振型，沿Y 向作來(lái)回?cái)[動(dòng)；5 階振型為出水管道近端管道沿Z 向上下擺動(dòng)，該振型在管道支架和裂紋產(chǎn)生處之間一段管道振動(dòng)明顯大于另一端；6階振型為管道接頭的局部振型，該振型不會(huì)引起出水管道振動(dòng)加大。根據(jù)圖8 可知，出水管道和核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道接觸解除后，4 階振型不變，為出水管道近端管道和支架共同的振型，沿Y 向來(lái)回?cái)[動(dòng)；5 階振型為管道整體和管道支架共同的振型，沿Z 向作上下擺動(dòng)，該階振型可視為接觸處固接約束解除后，原本的振型振動(dòng)傳遞至整個(gè)管道系統(tǒng)所致；6 階振型仍為管道接頭的局部振型。

通過(guò)主泵運(yùn)行階段振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知管道共振激勵(lì)頻率為198.8 Hz，綜合出水管道與核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道接觸約束解除前后模態(tài)測(cè)試和仿真分析結(jié)果，確定第5 階模態(tài)為引發(fā)出水管道裂紋產(chǎn)生的共振模態(tài)。出水管道與核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道接觸約束解除前，第5 階模態(tài)頻率為202.3 Hz，主泵2 倍葉頻（激勵(lì)頻率198.8 Hz）落在第5 階模態(tài)共振帶內(nèi)，引發(fā)出水管道結(jié)構(gòu)共振。當(dāng)出水管道與核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道接觸約束解除后，出水管道的約束剛度降低，模態(tài)頻率降低為190.2Hz，相比改造前較好地避開(kāi)激勵(lì)頻率，同時(shí)改造后在198.8Hz 流體激勵(lì)頻率附近沒(méi)有出現(xiàn)新的共振帶。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 工程應(yīng)用

結(jié)合有限元模態(tài)仿真分析結(jié)果，廠里確定了解除出水管道和核島設(shè)冷水系統(tǒng)管道接觸方案。該方案實(shí)施后，3#主泵出水管道振動(dòng)幅值明顯下降，焊縫疲勞裂紋隱患得以消除，證實(shí)2 倍葉頻與管道結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致出水管道振動(dòng)幅值過(guò)大的推論，同時(shí)也印證了有限元模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2 總結(jié)

針對(duì)國(guó)內(nèi)核電廠3#主泵冷卻水出水管道焊縫裂紋問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)行階段振動(dòng)數(shù)據(jù)和停機(jī)階段模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，推斷該問(wèn)題系主泵轉(zhuǎn)子2 倍葉片通過(guò)頻率激發(fā)的管系結(jié)構(gòu)共振所致。通過(guò)有限元模態(tài)仿真分析，確定出水管道結(jié)構(gòu)共振系出水管管系第5 階模態(tài)，共振導(dǎo)致的交變應(yīng)力，引發(fā)焊縫疲勞裂紋。通過(guò)管道局部結(jié)構(gòu)改造實(shí)現(xiàn)固有頻率調(diào)整，成功解決管道共振問(wèn)題。

由模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)和有限元仿真結(jié)果可知，主泵水導(dǎo)軸承出水管道由于其長(zhǎng)徑比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多段彎曲管道連接而成等結(jié)構(gòu)特性，模態(tài)頻率分布較廣且振型復(fù)雜，對(duì)管道約束狀態(tài)敏感。核島內(nèi)存在大量類似主泵水導(dǎo)軸承出水管管道，建議在安裝、檢修過(guò)程中對(duì)約束條件加以規(guī)范，避免管道約束狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)；同時(shí)建議在設(shè)備運(yùn)行前開(kāi)展管道結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試，確保結(jié)構(gòu)固有頻率避開(kāi)主要激振頻率，預(yù)防管道裂紋問(wèn)題。