控制棒驅動機構風機基礎的減振改造研究與應用1)

施雪峰,周 偉,翁云峰

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

方家山核電站控制棒驅動機構冷卻通風系統(簡稱RRM系統)。屬于核島內部重要通風冷卻系統,負責確保控制棒驅動機構供電線圈和位置指示器的溫度在正常范圍內,使其可以正常運行。若機組在滿功率運行期間,RRM風機故障無法正常運行,控制棒冷卻機構將無法得到有效的冷卻,核電機組就必須進入冷停模式。

方家山核電站2臺機組共8臺RRM風機,分別為：1/2RRM001/002/003/004ZV。風機型號為C式離心風機,生產廠家：浙江上風。電機直聯葉輪,采用4 mm厚Q235B槽鋼焊接成型的方式制成基礎框架,以橡膠減震器作為主要的減振手段(風機結構如圖1所示)。在核電站正常功率運行和熱停堆期間RRM系統持續運行,RRM風機單機組4臺2用2備(A/B系列分別1用1備)。

圖1 方家山RRM風機結構圖

1 RRM系統風機存在的問題

RRM系列風機在2015年投運開始就頻繁出現振動高報問題,個別風機振動值一直保持在6.0 mm/s附近,已經超出核電標準值5.5 mm/s,無限接近并超出國標值7.5 mm/s。表1為改造前RRM風機在線振動數值。由表1可知1RRM001/002/004,2RRM001ZV四臺風機振動數值都超過5.5 mm/s,振動情況十分惡劣。振動問題已經成了RRM風機的共性問題。自首次發現方家山核電站1、2號機組RRM風機振動值超標問題以來,RRM共報出缺陷46項,其中37項與振動相關。振動問題占到了RRM系統缺陷總數的80%。嚴重增加了機組運行的風險以及設備檢修成本,且在機組日常運行期間(核島封閉的情況下),多次造成檢修人員帶功率進島搶修,存在較大的人員安全風險及機組運行風險。

表1 改造前RRM風機在線振動數值

2 原因分析與改進方向

可能造成風機振動異常的原因多種多樣：葉輪不平衡、配合間隙過大、主軸彎曲,基礎剛性不足,風阻過大等[1]。在日常運行期間,我們前期已經對RRM風機進行了多次解體檢修：更換振動探頭排查信號通道、更換電機檢查電機轉子彎曲度、葉輪做動平衡、風管風量監測調節等,然而振動問題依然得不到有效解決。

為了找出風機振動的根本原因,我們對問題風機的振動高報點進行振動測量與分析,振動頻譜如圖2所示。由圖可知：RRM風機以49.66 Hz的工頻振動為主,有較豐富的諧波分量。振動以不平衡激振力為主,因基礎為撓性基礎,剛性不足使振動幅值更大[2]。振動治理可以從增加剛性和減小激振力入手,增加剛性方案有：增加轉軸剛性、增加葉輪剛性、增加支撐剛性。減小激振力只有通過風機葉輪動平衡這一方案。

圖2 1RRM001MO自由端垂直向振動頻譜圖

方家山核電站8臺RRM風機的葉輪已在專業平臺上進行了多次動平衡試驗,葉輪動平衡均符合運行要求,故在本文中不做研究討論。而葉輪剛性與轉軸剛性分別為風機與電機的設計屬性,增加起來技術難度大且有可能影響風機運行參數,對風機造成二次傷害。所以可行性最高的減振改造方式就是增加風機基礎剛性。

為了增加基礎剛性我們對RRM舊風機基礎進行了整體研究分析,發現了舊基礎存在的兩個問題。

2.1 風機基礎框架剛性不足

我們對原風機底架(RRM舊底架)進行了實地測繪,獲得了原結構的基本尺寸參數。使用SOLIDWORKS軟件對原機架進行了實體建模。之后利用了有限元法對原機架進行了模態分析,獲得了其固有頻率及對應的模態振型圖,如圖3所示。

圖3 RRM舊底架模型圖

使用Solidworks對未改造設備進行模態分析,其模態分析結果如圖4所示,固有頻率表如表2所示。

名稱類型最小最大振幅1AMPRES:合成振幅(數值=40.2 Hz)1.108 68×10-50.225 721

圖4 RRM舊底架模態分析結果圖

Fig.4 The modal analysis of RRM old base

表2 RRM舊底架的固有頻率表

剛度=質量×固有頻率2/2π(此剛度為模態分析下的理論估值,用于比較,非實際值)。

舊支架質量約為50 kg,一階固有頻率為40 Hz,換算得出最低剛度約為12 739 N/m。RRM風機質量約1.3 t,基礎剛度只有12 739 N/m,基礎十分薄弱。同時,RRM風機干擾頻率為：葉輪轉速÷60=2970÷60=49.5 Hz。與RRM舊底架一階頻率40.2 Hz十分接近,風機容易與基礎產生共振從而放大風機振動。

顯然RRM風機舊基礎剛性已經無法滿足設備運行需求,我們計劃重新設計剛性更強的風機基礎來替換原有風機底座。

2.2 橡膠減震器性能落后

現今市面上存在的三種風機減震機構為氣墊減震器、彈簧減震器、橡膠減震器3大類。

3大類減震器的性能對比：1)就成本考慮而言,氣墊減震器的價格是最高的,彈簧減震器次之,橡膠減震器價格最便宜;2)就減振性能而言,氣墊減震器的減振效果是最好的,彈簧減震器次之,橡膠減震器最差;3)就使用壽命而言,彈簧減震器的使用壽命最長,可達15～20 a;氣墊減震器次之;橡膠減震器最差,看各廠家橡膠減震器使用材料,減震器使用環境不同而有所不同;4)就維護簡易度而言,彈簧減震器壽命內幾乎不用維護,氣墊減震器一般需要一年到兩年的時間,補一次氣;橡膠減震器壽命內也不需要維護。

通過上述多項性能對比得出橡膠減震器存在的問題：減震效果最差,使用壽命最短,而我們核島工作期間需要風機隔離運行18個月,特殊的工作環境。較長的工作時間。橡膠減震器極易在運行期間出現老化松動的問題,從而導致振動升高。顯然橡膠減震器并不適合使用在核島RRM風機上了。我們將在下文中對其進行選型研究。

3 減振改造措施

3.1 設計新基礎框架

為了有效增加RRM基礎框架的剛性,我們重新設計了風機基礎：設計的主要目的是提高整體剛度,并通過模態計算,確保底座的模態頻率明顯高于風機干擾頻率,防止底座產生共振等現象。在框架結構設計時,設計用1CM鋼板焊接成型的工藝增加整體剛度。框架結構設計如圖5所示。

圖5 RRM新基礎框架

使用Solidworks對新方案進行模態分析,其模態分析結果如圖6所示,RRM新底架的固有頻率表如表3所示。

名稱類型最小最大振幅1AMPRES:合成振幅(數值=175.2 Hz)1.523 89×10-50.132 707

圖6 RRM新底架模態分析結果圖

Fig.6 The modal analysis of RRM new base

表3 RRM新底架的固有頻率表

剛度=質量×固有頻率2/2π(此剛度為模態分析下的理論估值,用于比較,非實際值)。

新支架質量約為500 kg,一階固有頻率為175.2 Hz,剛度約為2 438 296 N/m。從模態分析的結果可知,新底架結構最低剛度2 438 296 N/m遠優于RRM舊底架結構剛度12 739 N/m。同時新支架的一階頻率175 Hz大大高于風機干擾頻率49.5 Hz,不會發生共振情況。而二、三階頻率477.8 Hz、487.6 Hz也遠高于舊基礎的118.8 Hz、211.6 Hz,體現了新基礎整體剛度的優越性。

3.2 風機減震器換型

現在市面上性能較為優越的減震器類型有鋼絲繩減震器與氣墊減震器,理論上氣墊減震器減震效果最佳,但是考慮其維護頻率較高,平均一到兩年需要補氣,容易出現缺陷,不適合長期隔離運行的核島內工作環境。我們最終選擇了鋼絲繩減隔振裝置(鋼絲繩減震器)。

用鋼絲繩隔振器替換原有的橡膠減震器,可以較好地解決上述存在的問題：1)鋼絲繩隔振器具有良好的隔振吸振效果,能有效降低風機振動；2)鋼絲繩隔振器有優良的環境適應性及可靠性,通過合理的選型,可使其使用壽命達到10 a以上,且期間不用維護,大大減少了檢修維護成本,適合核島內部的封閉工作環境。3)通過重心計算,可保證鋼絲繩隔振器的安裝布點對稱于整套設備的重心,這樣可使隔振器受力均衡,減少耦合振動的產生,達到最佳的隔振效果。

鋼絲繩隔振器選型計算過程如下[3]：

按照鋼絲繩隔振器廠家提供的數據,將隔振器固有頻率控制在4～5 Hz,可達到理想的隔振效果。相對原橡膠隔振器,對振動響應的抑制效率可提高20%～25%。預計改造后系統總重在1 939 kg左右,選用6只GGT270-108型鋼絲繩隔振器,隔振器外形尺寸如圖7所示。

圖7 GGT270-108型鋼絲繩隔振器外形簡圖

根據GGT270-108型鋼絲繩隔振器的垂向靜態性能曲線,如圖9所示,設備安裝時隔振器的單個承載力為：1939÷6×9.8=3 169 N,變形約為12.5 mm,此時計算出(單只)隔振器的靜剛度K=305 N/mm。

系統峰值響應頻率可按如下公式進行計算：

(1)

式中：Fn——系統峰值響應頻率,單位：Hz;

K——單個靜剛度,單位：N/m;

a——動剛度系數,取1.5;

m——單只隔振器承載質量,單位：kg;

計算結果,系統峰值響應頻率fn=4.2 Hz,滿足設計要求。

系統振動傳遞率采用如下公式進行近似計算：ηv=x/X0

(2)

式中：x——響應振幅;

Χ0——激勵振幅；

ζ——阻尼比(取0.15);

λ——fi/fn；

fi——外激勵(干擾)頻率；

fn——系統固有頻率(峰值響應頻率)。

公式(2)用圖形表示即為圖8所示的傳遞率曲線。

圖8 振動傳遞率曲線

由上述公式及圖8,可以得出：

圖9 鋼絲繩隔振器靜態力學性能曲線

3.3 增加阻尼器

為了進一步增加基礎的吸振能力,增加基礎長時間運行的穩定性,我們在基礎框架上增加了4個特制阻尼器,其結構為金屬網墊加螺旋彈簧組成的復合式干摩擦式阻尼。阻尼器在系統中起到的作用是通過電機和風機在使用中產生的振動位移帶動阻尼器運動,利用阻尼器中的金屬阻尼材料消耗運動能量,從而達到減震消能的目的,防止設備零部件在高頻率振動條件下發生松動移位等情況,進一步降低風機振動值以及提高運行穩定性(阻尼器本身不起支持作用,風機重量由6臺隔振器分擔)。阻尼器結構如圖10所示;阻尼安裝位置如圖11所示。

3.4 方案綜述

我們通過：1)設計風機底座,增加底座整體剛度;2)用鋼絲繩隔振器替換原有的橡膠隔振器,提高隔振效果,增加減振器使用壽命,減少維護成本;3)增加阻尼器,消耗振動動能。這三個方面對RRM風機的基礎進行了改造設計。最終方案如圖12所示。

圖10 阻尼器結構

圖11 阻尼器安裝位置

圖12 RRM基礎改造最終方案

4 基礎減振改造成果

2017年9月與2017年12月,我們根據RRM基礎改造研究方案實施了RRM基礎改造工作。改造完成后進行設備再鑒定試驗,風機振動情況得到了大幅改善,表4為基礎改造后風機振動情況。我們可以直觀地看到改造后8臺風機振動數值皆保持在2.0 mm/s左右,遠低于核電振動標準值5.5 mm/s。改造前振動問題較為嚴重的1RRM001/002/004,2RRM001ZV四臺風機振動都得到了很好的控制,且運行一段時間后振動數值一直保持穩定的情況,無異常波動與缺陷發生。

實踐證明此次振動改造研究方向正確,改進措施具有很高的實用性。可以有效降低此類風機的振動高爆問題。并且新基礎增加了風機運行的穩定性、減少了檢修頻率與成本。

5 結論與前景

此次研究運用振動頻譜分析、基礎模態分析討論了設備可能存在的問題,并通過增加底座整體剛度、更換鋼絲繩隔振器、增加阻尼器,三個方向對基礎進行了改造。有效降低了RRM風機的振動值,提高了系統的穩定性。

應用情況：方家山八臺RRM風機均改造完成,振動數據穩定優秀。

前景：目前方家山機組DVK、DVN、DVF、EVR等風機都存在基礎薄弱或振動不穩定的現象,本次基礎減振研究將會推廣運用到其他風機上,優化電站風機的運行性能,降低缺陷率,延長設備壽命,減少維護成本。同時核電領域其他電站風機系統也出現了振動問題,基礎減震改造具有廣闊的應用前景。

表4 RRM改造后風機振動情況