核電廠棒電源機組電機振動超標分析與處理

祁國鵬，曾國靖，孫 旭，張水龍，陳 鍵

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

核電廠棒電源系統（RAM）的功能是確保對控制棒驅動機構的線圈連續供電，一套RAM 系統由兩套MG 機組組成，每套MG 機組包括一臺異步電機、一個調速飛輪、一臺同步無刷發電機、電壓調節器、溫度傳感器等設備。某核電廠棒電源機組電機基本參數如下：電機額定功率135 kW，額定轉速1500 r/min，軸承油脂型號為Chevron SRI Grease 2，驅動端軸承為SKF Nu319、非驅動端軸承為SKF 6319/C3[1]。

為了確保核電廠運行期間控制棒驅動機構供電穩定，通常兩臺MG 機組并聯運行，3RAM001MO 電機振動高導致一臺MG 不可用，使反應堆控制棒驅動機構線圈失去備用電源，控制棒隨時有可能失電后掉入堆芯導致反應堆停堆[2]。

1 概述

2018 年12 月，某核電廠302 大修對3#機組RAM 系統1#MG 進行了解體檢查，測量電機轉軸與軸承、軸承與軸承室公差配合均合格。電機回裝時，使用MOBIL POLYREX EM 油脂替換了之前使用的Chevron SRI Grease 2。機組維修后試驗時電機振動、軸承溫度均未發現異常，隨后將機組停運。

12 月23 日，對3RAM001MO（AP）棒電源機組進行解體檢修，并經維修后試驗驗證合格后停機。2019 年1 月6 日21：00，3RAM001MO （AP） 開始啟動運行，1 月7 日凌晨6：00，3RAM001MO 電機驅動端振動開始增大，振動平均值4.0 mm/s左右，最高達到13.0 mm/s，振動峰值多次超過10.0 mm/s，出現驅動端振動高報警。期間電機驅動端軸承溫度、非驅動端振動及軸承溫度均無異常。將電機停運重啟后，電機驅動端振動恢復正常，運行2 h 后電機驅動端振動再次頻繁出現振動閃發高報警（圖1）。

圖1 電機驅動端振動趨勢

2019 年1 月7 日，對3RAM001MO 電機進行解體，更換電機軸承，測量電機公差配合合格后，使用電機原裝的Chevron SRI Grease 2 潤滑脂完成回裝。在此次解體時發現，電機驅動度軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度與軸承外圈之和比電機驅動端軸承室寬度大，但未處理。

1 月9 日，電機二次維修后空載試驗開始，起機后不久電機驅動端再次出現振動閃發高報警。當日對3RAM001MO 電機進行第三次解體，經測量確認：電機驅動端軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度與軸承外圈之和與電機驅動端軸承室寬度大0.50 mm。非驅動端軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度與軸承外圈之和比電機非驅動端軸承室寬度大0.17 mm。并在電機回裝時使用青稞紙對軸向間隙進行了補償，1 月11 日空載試車電機振動明顯降低，兩端振動穩定在0.7 mm/s 左右，持續運行未出現波動。

2 故障原因

2.1 電機結構分析

福清3#機組MG 機組由中船重工電機科技股份有限公司制造，額定功率135 kW，額定轉速1500 r/min。電機驅動端使用Nu319 軸承，只能承受徑向負荷，不承受任何徑向載荷。電機非驅動端使用6319/C3 軸承，其作用為承受徑向負荷、軸向負荷及軸向定位[3]。

電機裝配時，非驅動端6319/C3 軸承利用過盈配合安裝在非驅動端轉軸，并使用螺栓配合軸承室內外蓋止口對電機轉子進行軸向定位。驅動端Nu319 軸承內圈利用過盈量固定在電機轉軸上，軸承外圈裝在軸承室內，使用螺栓配合軸承室內外蓋止口實現軸承外圈的軸向固定（圖2）。

2.2 驅動端軸承外圈未定位

在解體時發現電機驅動度軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度與軸承外圈之和比電機驅動端軸承室寬度大（表1）。從表1 可知，電機驅動度軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度于軸承外圈之和比電機驅動端軸承室寬度大，其中12 點鐘方向大0.53 mm、3 點鐘方向大0.55 mm、6 點鐘方向大0.52 mm、9 點鐘方向大0.52 mm。最大偏差0.55 mm，平均偏差為0.53 mm。導致電機驅動端端蓋不能固定在電機基座，在電機高速運行過程中，軸承室內外蓋及驅動端Nu319 軸承外圈將軸向竄動，竄動量最大將達到0.52 mm（圖3）。

2.3 電機轉子軸向竄動過大

電機非驅動端使用深溝球軸承6319/C3，承受非驅動端負荷并起到軸向定位作用。在對電機解體時發現電機非驅動端軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度于軸承外圈之和比電機非驅動端軸承室寬度大（表2）。其中，12 點鐘方向大0.16 mm、3 點鐘方向大0.19 mm、6 點鐘方向大0.17 mm、9點鐘方向大0.16 mm，最大值0.19 mm，平均值為0.17 mm。導致電機非驅動端軸承室內外蓋緊固后仍無法固定在電機基座，電機運行時電機轉軸軸向竄動量最大將達到0.16 mm（圖4）。

3 解決方案

3.1 確定電機軸向竄動量

電機驅動端軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度與軸承外圈之和比電機驅動端軸承室寬度實測寬0.52～0.55 mm；電機非驅動端軸承室內蓋止口高度、軸承室外蓋止口高度與軸承外圈之和比電機驅動端軸承室寬度實測寬0.16～0.19 mm。實際電機驅動端軸承室緊固后，軸承室內外蓋、軸承外圈、軸承室內蓋軸向竄動量為0.52～0.55 mm；驅動端軸承室內外蓋、電機轉子軸向竄動量為0.16～0.19 mm。

圖2 電機裝配示意

圖3 電機驅動端裝配后示意

表1 電機驅動端軸向數據測量記錄表 mm

表2 電機非驅動端軸向數據測量記錄表 mm

圖4 電機非驅動端裝后配示意

3.2 非驅動端竄動量補償

使用2 張0.15 mm 厚的青稞紙襯墊于電機非驅動端軸承室外蓋與端面之間，青稞紙壓縮后使用塞尺測得的補償量為0.28 mm，補償后將消除電機非驅動端軸承室內外蓋的軸向竄動，并將電機軸竄動量削減到0.09～0.12 mm。

3.3 驅動端竄動量補償

圖5 電機檢修后振動趨勢

使用2 張0.30 mm 厚的青稞紙襯墊于電機驅動端軸承室外蓋與端面之間，青稞紙壓縮后使用塞尺測得的補償量為0.58 mm，補償后電機驅動端軸承室內外蓋將完全壓緊在電機端蓋上，并將驅動端軸承外圈在軸承室內的軸向竄動量控制在0.02 mm 以內。

通過對電機軸向竄動量進行補償，可以降低電機驅動端軸承外圈及電機轉子的軸向竄動，降低電機運行時的振動。補償后再次試車，發現電機振動明顯下降，振動整體趨于穩定，驅動端振動平均值0.7 mm/s，且長期運行后未出現振動閃發高的問題（圖5）。

4 結論

通過某核電廠3#機組1#棒電源電機解體后振動高問題的解決，發現了M310 系列百萬千瓦機組棒電源電機振動與軸向裝配控制的關系，給出了軸向竄動量補償的解決方案，并通過試驗證明了軸向竄動過大導致棒電源電機振動高的結論。本文所論述的方案為后續同類電機振動問題的處理提供了參考，具有較強的實用價值。