“華龍一號”輔助給水電動泵振動超標問題分析

李長軍,張洪生

(中國中原對外工程有限公司，北京 100044)

輔助給水電動泵作為主給水喪失事故中的關鍵能動設備，對維持蒸汽發生器二次側水位，具有重要的安全作用。中核“華龍一號”輔助給水電動泵根據系統運行要求，與其他堆型泵參數相比，最大流量點提高，對應揚程進一步降低，技術參數較其他堆型泵設備參數更加苛刻。其水力性能要求決定了泵組的整體設計難度變大，原水力模型不再適用，故需要重新研發。國內外現有的輔助給水電動泵性能參數對比情況如圖1所示。

圖1 各堆型輔助給水電動泵性能要求對比圖Fig.1 Comparison of performance requirements of the motor-driven auxiliary feedwater pumps of various reactor types

“華龍一號”輔助給水電動泵苛刻的水力性能要求直接影響了泵組振動數據指標，而振動指標是決定泵組穩定運行的重要參數。根據巴基斯坦K2/K3項目輔助給水電動泵研發過程，輔助給水電動泵的振動問題是泵組研發的難點和重點問題。本文根據設備研發過程中遇到的實際問題，結合設備結構特點，借助頻譜分析進行原因排查，利用試驗對比，總結設備振動問題，優化和改進設備結構設計，為今后輔助給水電動泵及同類型的臥式多級泵振動問題的處理提供一定的參考。

1 設備設計

根據泵組技術要求，泵轉動部件需要設計成可抽芯結構；同時結合泵組要承受高壓的特點，結構設計為臥式、雙殼體、內殼體為節段式的多級離心泵，機械密封采用集裝式機械密封，聯軸器采用帶加長節的膜片聯軸器連接泵和電機。該泵無外接冷卻水源，采用首級葉輪抽頭配換熱器的形式對各發熱部件進行冷卻，抽頭水也作為機械密封沖洗水而綜合利用[1]。

根據泵運行經驗，轉子始終處于受拉狀態轉動穩定性最好，故將推力軸承布置在泵吐出高壓側——非驅動端，剩余2%軸向力以及泵變負荷情況下可能產生的軸向力由推力軸承承受。為承受可能的二個方向的軸向力，軸承形式選用雙向瓦推力軸承。潤滑油系統采用軸承推力盤旋轉帶動壓差的強制潤滑形式。

泵組基本結構圖如圖2所示。

圖2 “華龍一號”輔助給水電動泵基本結構圖Fig.2 The basic structure of the motor-driven auxiliary feedwater pump of HPR1000

輔助給水電動泵根據其水力性能參數要求，優選水力設計方案，制造葉輪樣機，進行試驗驗證。對葉輪的切割數值做修正系數，采用分步切割+每步試驗驗證的方式，保證切割的準確性。對切割后的葉輪進行泵組性能試驗，最終經樣機試驗驗證，結構設計合理，滿足泵組水力性能和功能要求。試驗性能曲線如圖3所示。

2 問題處理

輔助給水電動泵在研發過程中泵組性能、軸承溫度、泄漏量和噪聲等指標均滿足技術要求，但驅動端軸承體處存在振動超標問題，振動具體數值如表1所示。

圖3 泵樣機性能曲線Fig.3 The performance curve of the prototype pump

表1 泵振動超標數值Table 1 Over-standard value of pump vibration

通過振動數值可得知，該泵非驅動段各測點均振動滿足要求，且在大流零點各方向數值均較低，但驅動端各點數值均不滿足標準要求。根據泵組振動情況進行了頻譜分析，針對有代表性的110 m3/h和180 m3/h頻譜(如圖4、圖5所示)分析如下。

在轉速2980 r/min下，101 m3/h工況和180 m3/h工況下的驅動端水平、垂直和軸向3個方向測點的振動主頻為300 Hz，而葉輪葉片個數為6，該頻率恰為葉輪的6倍頻。該頻率下容易出現問題的原因有：密封磨損、聯軸器不對中、管系作用、共振、壓力脈沖、軸承剛度等[2-3]，分別對其進行驗證，主要驗證內容如表2所示。

圖4 110 m3/h工況各測點振速頻譜圖Fig.4 Spectrum diagram of the vibration velocity at each measuring point under the working condition of 110 m3/h

圖5 180 m3/h工況各測點振速頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of the vibration velocity at each measuring point under the working condition of 180 m3/h

表2 泵振動可能因素及試驗效果Table 2 Possible factors of pump vibration and the test effect

通過對以上可能原因進行分析，并對該泵在不同試驗基礎上進行對比試驗，排除密封磨損、聯軸器對中、管系作用、共振等因素，問題主要集中在水力模型、驅動端軸承和軸承體。對這兩個原因的排查采用在同一泵體上進行對比驗證，利用樣機1和樣機2的驅動端軸承體和軸承、芯包分別進行配對試驗驗證，驗證實施結果如表3所示。通過對比驗證可排除水力模型引起的振動問題；通過利用壓板加固強化軸承體的方式，驗證問題在于泵組驅動端軸承體強度，驗證內容如表3所示。

表3 泵軸承體和水力性能對比驗證方案Table 3 Comparison and verification of the pump bearing body and hydraulic performance

根據泵組結構，驅動端軸承體連接托架上，托架通過螺栓緊固吸入段上，而吸入段與泵體之間為間隙配合，故驅動端軸承處受力最終由吸入段傳遞至泵體。在軸承體上直接固定的方案受操作空間限制，且設計難度大，整體改動大，不具有很好的實施性。故從軸承體托架處提出新方案：在吸入段及筒體間增加緊配合的壓板，壓板通過螺栓緊固在筒體上，結構如圖6所示。

為進一步提高泵轉子剛性，減小泵軸兩端支撐跨距，經充分計算車削縮短驅動端托架的軸向長度16 mm，具體結構如圖7所示。通過以上兩種組合方式，泵組驅動端和非驅動段振動數值均大幅降低，滿足技術要求，成功解決該泵振動問題。振動試驗數據如表4所示。

圖6 吸入段及筒體間增加緊配合的壓板Fig.6 The pressure plate with tight fit between the suction section and cylinder

圖7 縮短軸承托架軸向長度Fig.7 Shortening of the axial length of the bearing bracket

表4 泵振動測試試驗數據Table 4 Vibration test data

該泵振動超標問題的成功解決，驗證了泵組剛性問題的重要性，泵組長徑比、軸承跨距、零部件的支撐受力等數據要嚴格控制[4]。該泵進行了大量振動試驗驗證，現總結了該類型泵組出現振動問題的一般處理流程和可能因素。

(1)振動問題發生后，首先從外部因素依次排查，順序為：

1)電機空載振動是否符合相關標準要求；

2)聯軸器動平衡是否滿足要求，各連接螺栓質量是否均衡；

3)轉子動平衡是否滿足精度要求，如更換新葉輪或平衡套等轉動部件，整個轉子仍需要進行轉子動平衡；

4)泵進出口管道振動是否在要求限值內，排除管道傳遞的振動載荷。

(2)上述外部因素排查完畢后，在泵實際裝配及安裝找正過程中仍需注意下列事項：

1)泵裝配過程中，軸承座中開面螺栓和軸承托架處螺栓擰緊力矩嚴格按照圖紙要求采用力矩扳手進行擰緊；

2)泵組對中找正，圓周方向和端面跳動保證在精度范圍以內；

3)泵基礎水平度需保證在1/1000以內；

4)電機空載振動值各方向需調至2.0 mm/s以下且穩定運行，無異響；

5)泵組啟動前，充分充水排氣，降低試驗裝置干擾；

6)檢查泵組潤滑油系統油質、油位，冷卻水系統的管路連接情況。

(3)需要對泵組零部件排查的內容有：

1)檢查軸瓦與軸的接觸面積，研磨軸瓦，提高接觸面積；

2)軸瓦與軸的間隙保證在2‰左右，瓦背與軸承體間隙保證在0.01～0.03 mm為宜；

3)保證葉輪與口環、平衡鼓與平衡套的間隙值在技術要求范圍內[5]；

4)檢查機械密封其他等動靜結合面的磨損情況；

5)排查泵組共振問題；

6)排查泵組剛性問題；

7)排查泵組壓力脈動、水力激振問題。

3 結論

“華龍一號”輔助給水電動泵研發過程中沒有成熟的水力模型，自主研發，對比其他堆型泵參數技術難度高。通過使用優選的水力模型，成功完成水力方案設計，性能試驗滿足技術要求；通過結構設計，選擇合理設計方案；通過振動特性分析，成功解決振動超標問題。

“華龍一號”輔助給水電動泵研發成功，為今后該類型的設計研發提供參考，為多級離心泵在安裝、調試和運行中振動超標問題提供借鑒。現結合本設備的設計和試驗過程總結情況，提出以下建議：

1)對于臥式多級離心泵，影響泵組剛性的長徑比等指標需嚴格控制，盡量爭取提高轉子剛度，可有效避免后續振動超標問題；

2)對于轉子剛性引起的振動問題，可采用縮短托架軸向長度和吸入端與筒體間嵌入壓板的方案，此方案實施工作量小，對于泵組振動問題處理具有一定創新性；

3)對于將來新研發的多級離心泵，驅動端軸承體結構設計建議取消連接托架，將托架與驅動端下軸承體做同體鑄造，從根本上提高零件整體的剛性。