核電廠主泵及風機動平衡試驗

核電廠中主泵和風機多為離心式，這些設備的離心轉子在高轉速下工作時，由于轉子的材質不均、毛坯缺陷、加工和裝配誤差、設計時存在的非對稱幾何形狀以及運行時葉輪存在腐蝕和雜質吸附等原因，使其質量分布不均勻。轉子轉動時就會產生一個比較大的不平衡離心慣性力，使設備振動或損壞。動平衡就是為了減小不平衡離心慣性力，使轉子運轉平衡的一種方法。

1 主泵動平衡試驗

1.1 主泵情況介紹

主泵全名反應堆冷卻劑泵，是由空氣冷卻、三相感應式電動機驅動的立式單級軸密封機組。從頂部到底部，由電動機、密封組件和泵的水力部件組成。冷卻劑通過泵殼底部吸入向上流過葉輪，葉輪上是帶有7個整體葉片的不銹鋼鑄件，從泵的頂部看，葉輪設計成逆時針轉動。

反應堆主泵安裝有4個在線振動傳感器。其中兩個速度傳感器106MV和107MV。安裝在電動機殼體下法蘭上以測量電動機軸承的振動。另外兩個傳感器為非接觸式位移傳感器150MM和151MM，安裝在泵驅動軸聯軸節高度上。在兩個位移傳感器中間安裝有鍵相傳感器，以提供相位信息（圖1）。鍵相信號和振動信號通過現場接線盒將信號傳至主控和Bently3300儀表框架，以供記錄和報警。因為主控在線系統僅提供振動總值而沒有振動頻譜，因此通過DP1500便攜式測振儀與儀表框架信號輸出端子連接，可實現對主泵振動信號的采集和監測。

圖1 主泵振動傳感器安裝示意圖

1.2 主泵振動分析和診斷

主泵現場動平衡試驗在熱停堆工況下進行，其主要原因是這一工況最接近主泵的正常運行工況。前面已分析的24Hz 是不平衡所導致，但不平衡不僅是質量不平衡、還包括一部分熱不平衡，這是由于這個軸系在熱態工況下受熱膨脹不均造成的，所以動平衡試驗必須在熱態工況下進行。

2號機組第5次換料大修后，在熱態升溫過程中1號主泵振動由67um 增大到128um 并有上升趨勢。從當時的頻譜看，造成軸振動的主要頻為工頻，其他偕波分量幅值較小。從幅值上看，工頻分量占振動總量的90%以上，基本可以確定當時主泵振動偏大的主要原因為不平衡。而出現的11.8Hz 振動分量經分析為軸封水注入而引起的振動，其產生原因主要與設計有關，且幅值較小，無需處理。根據以上分析，決定在機組熱態時對主泵進行動平衡試驗。

1.3 動平衡試驗過程

本次動平衡采用的是單面動平衡方法，加重平面為聯軸節處。在停運2號機組1號主泵前對主泵的數據進行了振動測量測，并將該次振動測量作為動平衡試驗的原始振動值（表1），據此估算試加重量約為851g ∠51°（圖2），對輪上14#和1#螺栓中間的鍵槽為零相位點。試加重量后，啟動主泵，測量振動，采集數據見表1。試重后振動幅值變化不大，1倍頻振動從128um 降低到107um，但相位角度變化很大，由339°變化到235°，改變了90°，幅值變化不大而相位角變化較大說明試重偏大，通過試重后振動計算配重，計算結果表明應加重550g，加在14°相位上，實際加重556g。啟動主泵，待狀態穩定后采集振動數據，一倍頻振動值下降到63um，主控顯示的振動總值也下降到70～90um左右，結果表明主泵動平衡后振動狀態良好。

圖2 加重位置示意圖

1.4 經驗反饋和幾點建議

當主泵振動較高時，首先應認真分析原因，確定是由不平衡故障引起。通常一倍頻要占總振動值的85%以上才可實施現場動平衡；當一倍頻分量中包含較大的熱變量時，泵啟動至狀態穩定需較長的時間，數據采集應在泵的狀態穩定后(包括軸封水流量和軸承溫度)方可進行。根據本次測量經驗，2RCP001PO的振動約經過20～25min 后幅值趨于穩定；試驗時，設備運行工況應盡量接近正常運行工況。對于主泵，在進行動平衡試驗時，應使每次的軸封水流量相同且與正常運行時的流量一致。

表1 2RCP001PO 主泵動平衡試驗數據

表2 秦山核電廠DVK 風機平衡數據

當需較大配重時應考慮將矢量分解，一個螺栓上的配重量不宜超過1500g。當主泵聯軸器平衡面上已有較多平衡塊時，應綜合考慮原有的平衡塊，盡可能減少平衡面的配重。如難以實施，可選擇慣性飛輪作平衡面；由于主泵振動原因復雜，影響振動的因素較多，特別是熱變量對動平衡試驗的影響較大，這種熱不平衡量隨工況和運行時間而變化，試驗中必須充分地重視和考慮這個問題。在本次動平衡試驗中，2RCP001PO 在6月19日啟動后進行的振動測量中，一倍頻最大振動幅值和相位為67um ∠305°，到6月21日該點一倍頻振動幅值和相位變為128um ∠338°，幅值和相位均有較大變化。

2 核級風機動平衡

核電廠中風機動平衡試驗同主泵動平衡原理相同，風機可以看作具有集中質量的單輪盤轉子。平衡時只需要一個校正平面，校正質量安裝在葉輪上。若葉輪有平衡槽，平衡時將校正質量安裝在平衡槽內；若葉輪沒有平衡槽，平衡時校正質量焊接在輪盤的外緣。由于核電廠風機一般未加裝在線振動監測裝置，或加裝的振動監測裝置不具備頻譜分析功能。因此需要使用便攜式振動數據采集器并加裝鍵相傳感器來獲取振動信號（圖3）。

示例：秦山核電廠DVK 送風機。該風機轉速為1500r/min。運行中風機振動達7.71mm/s，振動為基頻，判斷為不平衡引起。風機葉輪沒有平衡槽，考慮加重焊接在葉輪輪盤的外緣。平衡過程見表1，平衡進行了兩次。第一次平衡后，依計算結果將平衡角度調整了70度，振動達滿意水平（表2）。

核電廠風機動平衡與核電廠主泵動平衡原理基本相同，但數據采集和振動分析方式卻有很大區別。主要體現在，主泵是通過主泵自帶傳感器而得到的軸位移和相位數據，而風機則是通過便攜式振動數采器及脈沖轉速表測得的風機軸承座振動速度及相位數據。由于采集方式不同，采集得到的振動數據單位不同，直接反應在同一測點上測量得到的振動速度相位會超前振動位移相位90度，用速度單位得到的滯后角也將超前90度，這就要求風機動平衡初次試重時要將滯后角度的區別考慮進來，避免試重位置加反，造成設備損壞甚至人身傷害的事故。

圖3 風機振動傳感器安裝示意圖

3 結語

核電廠主泵和核輔廠房通風設備均為核級設備，是執行核安全功能的關鍵設備，當這些設備發生故障時對核安全往往會造成威脅。因此對于這些設備的故障需細致分析設備的振動故障原因，不僅要了解設備的各種振動原因及振動特征，還要考慮設備運行過程中綜合故障，才能準確判斷設備振動故障原因及故障位置，為精確實施動平衡提供理論依據。通過以上方法對設備的轉子進行動平衡的校正，可以減小轉子在工作時的慣性力和慣性力偶，從而減小了設備的振動。大大提高了設備工作的穩定性和可靠性，增加了設備的使用壽命，也減少了因質量原因而使設備損壞的因素，為保證產品的質量提供了有利的保障。

主泵及風機等設備動平衡試驗，在降低設備振動的同時還可以積累相應的測試數據，通過這些數據可計算出設備動平衡影響系數，如同類設備再需要進行動平衡試驗時可直接通過影響系數和設備的原始振動算出應加配重質量而不需加試重，最少可進行一次配重即完成動平衡，減少設備的啟停次數，保證設備安全的同時更具有一定的經濟效應。