某核電廠發電機定子冷卻水泵振動高分析及處理

梁 陽，張旭東，薄 文

(遼寧紅沿河核電有限公司 ，遼寧 大連 116001)

1 系統/設備介紹

發電機定子冷卻水系統是通過一個閉式的低電導率水的循環回路帶走發電機定子線圈在帶負荷運行時產生的熱量。每臺機組定子冷卻水泵為兩臺(一用一備)，基本參數見表1。當流量低于150 m3/h 或者工作泵跳閘時，備用泵自動啟動投入運行[1]。該泵為單級臥式離心泵(圖1)，使用集裝式機械密封，由兩個相同的深溝球軸承，聯軸器為彈性柱銷聯軸器。

表1 基本參數

圖1 泵體結構圖

2 泵組振動高情況介紹及分析

該電廠4臺機組共有8臺定子冷卻水泵，每臺機組一用一備。自泵組投運以來，發生振動超過報警值共計37臺次。該泵失效將導致發電機定子冷卻水失去備用泵，降低電廠發電機系統運行的可靠性。查詢歷次振動測量數據，振動頻譜較為清晰，下面以其中一次測量數據作振動初步原因分析。

2015年12月14日執行H2GST101PO振動測量發現該泵振動較上次測振結果大幅上升，泵驅動端水平向(PBD-H)振動達到4.2 mm/s，接近報警值4.5 mm/s。12月17日再次執行振動測量，發現泵驅動端水平向振動值達到4.8 mm/s，超過報警值，H2GST101PO振動數據見表2。

表2 H2GST101PO振動數據

分析H2GST101PO驅動端水平向振動頻譜(圖 2)，1×、2×、3×頻率明顯，其中1×轉速頻率明顯增加，2×及3×倍頻率略有上漲。

圖2 泵驅動端水平向振動頻譜

分析泵軸向頻譜(PBND-A)可以看到存在明顯的2×轉速頻率[2]，且有大幅增加(圖3、圖4)。

圖3 泵軸向振動頻譜(11月19日)

圖4 泵軸向振動頻譜(12月17日)

綜合以上頻譜進行分析，振動幅值升高與不對中故障模式、B型機械(地腳螺栓)松動[6]故障模式的頻譜特征較為接近，但1×倍頻升高也可能是A型機械松動、軟腳或相關腳的共振故障模式導致(圖 5)，后續的排查工作主要針對這兩個方向開展。

圖5 頻譜-故障分析

3 泵組振動高原因排查

引起泵組振動的原因是多方面的[3]，由于該泵日常期間不具備停運檢修條件，因此維修人員按照從簡單到復雜的策略，針對上述分析的可能原因進行了排查與試驗，具體過程與分析如下。

3.1 電機及泵組臺板螺栓緊固

維修人員首先對電機地腳、臺板地腳及軸承支架的固定螺栓進行在線緊固，緊固后泵組振動最大值有所降低，以H2GST101PO為例，2016年1月緊固后振動最大值由4.8 mm/s降低為3.4 mm/s。但該泵在12月份再次出現振動高問題，說明地腳螺栓不能從根本上解決該問題。

3.2 重新對中處理

由于GST泵組振動頻譜中往往存在2×倍頻分量，維修人員曾多次重復執行對中工作：在泵組停運后復測聯軸器對中數據，發現對中偏差往往較大。以H3GST101PO為例，2018年1月19日停泵檢查，發現對中偏差較大：電機相對于泵高0.285 mm，電機相對于泵偏左0.23 mm；張口0.13 mm(標準：0.05 mm)。

對該泵重新執行對中工作后，再鑒定合格，電機振動最大值為1.56 mm/s，泵振動最大值為2.7～3.0 mm/s，較檢修前泵側振動最大4.36 mm/s有明顯改善。但該泵在2018年4月份完成對中再鑒定后，2019年1月份再次出現振動高問題，說明重新對中不能徹底解決GST泵組振動問題。

3.3 電機及泵組臺板虛腳排查

在排查振動問題過程中，對電機及泵組臺板虛腳問題進行了同步排查，其中電機虛腳情況不嚴重，最大0.10 mm，經過維修人員處理，將虛腳降至0.02 mm。而臺板由于是槽鋼焊接件，端面并非精加工面，因此存在一定縫隙，最大可達2 mm，經過維修人員增加墊片調整，最大縫隙小于0.05 mm，同時保障了在一處位置放置墊鐵的數量不超過三個[4]。在章節3.1和3.2中檢修均對虛腳進行了同步處理，但在后續的運轉過程中都再次出現了振動高問題，因此說明虛腳問題并非振動問題的根源。

3.4 泵組臺板剛度加強試驗

圖6 臺板加強方案

鑒于泵組臺板由槽鋼焊接而成，同時上下表面非精加工面，可能會導致軸承座連接剛度不足[5]，2018年1月，維修人員通過在H3GST201PO泵組臺板上焊接支撐塊方式，增強框架剛度，嘗試解決振動問題，具體方案見圖6。經過臺板加強后，電機振動最大值為1.44 mm/s，泵振動最大值為2.13 mm/s，與處理前振動水平3.35 mm/s有所降低。隨后H3GST101PO在4月份也參考執行此方案，但該泵的振動值在11月再次升高至4.4 mm/s，接近報警值4.5 mm/s，說明增強臺板剛度不能從根本上解決泵組振動問題。

3.5 出入口管道應力排查

2019年1月在2#機組大修期間，對泵組出入口法蘭進行排查：復查聯軸器對中，發現H2GST201PO聯軸器間距為5.3 mm，超出2～4 mm的標準，同時H2GST101/201PO外圓偏差分別為1.1 mm/1.9 mm(圖 7)，遠遠超出0.05 mm的對中標準。打開兩臺泵的出入口法蘭，發現其中三道法蘭同心度偏差超過《GB50235Y2010工業金屬管道工程施工規范》中規定的≤0.80 mm的要求，同時發現入口法蘭間距最大為7.15 mm，使用常規尺寸墊片無法滿足安裝要求。

圖7 法蘭應力排查數據

分析導致泵組不對中的主要原因為入口法蘭錯位及軸向長度不足，由此對泵體產生拉伸及扭轉使其變形，進而使聯軸器上揚，并導致外圓及間距超標。

對泵體進行模型簡化，使用SolidWorks軟件對泵體進行受力分析，模擬泵體出、入口管道法蘭間距偏大從而對泵體產生拉應力的情況下對聯軸器位置位移的影響。從模擬結果可以看出，出、入口法蘭存在較大間隙時，給泵體帶來的額外作用力將導致其產生嚴重變形，圖8中可以看出聯軸器位置產生了最大的位移量1.612 mm，與實際測量數據較為接近，并且已經遠遠超出了聯軸器對中的0.05 mm標準，聯軸器不對中在泵運行時會引起嚴重的振動問題。

圖8 模擬受力后泵體變形結果

維修人員通過使用加厚墊片及調整法蘭等維修方法，保障泵殼不受額外應力作用，最終設備再鑒定合格，H2GST101PO泵組振動值最大為2.04 mm/s，H2GST201PO泵組振動值最大為1.34 mm/s。隨后在3臺機組大修期間對另外6臺泵組采取相同處理方法，處理后泵組振動均保持穩定，截至2020年7月，該電廠8臺GST泵組未再次出現泵組振動高超過報警值情況，且處理后泵組各個位置振動值大部分有所降低，說明解決管道應力能夠解決GST泵組振動問題。出入口法蘭處理前振動值見表3、出入口法蘭處理后振動值表4。

表3 出入口法蘭處理前振動值

表4 出入口法蘭處理后振動值

基于上述檢修數據分析，由于法蘭間距過大，需要通過緊固作用下將泵體向法蘭位置拉動才能滿足密封要求，從而對泵殼及固定臺板產生拉力及變形，使泵組聯軸器對中發生變化，且降低固定約束的剛度，導致泵組振動值偏高。

3.6 結論

經過上述各類振動原因分析及試驗，判斷泵組出入口法蘭安裝不到位，使泵殼受到額外載荷產生變形，影響泵組對中及固定約束剛度，是最終導致泵組振動超標的主要原因。

4 處理措施

4.1 管道連接安裝標準控制

在《GB50235Y2010工業金屬管道工程施工規范》標準中對于與泵連接管道安裝標準有明確要求：管道與動設備的連接應符合下列規定[7]：

1)與動設備連接前，法蘭平行度和同心度允許偏差應符合表5法蘭連接要求。

表5 法蘭連接要求

2)管道系統與動設備最終連接時，應在聯軸器上架設百分表監視動設備的位移。當動設備額定轉速大于6000 r/min時，其位移值應小于0.02 mm；當額定轉速小于或等于6000 r/min時，其位移值應小于0.05 mm。

在水泵安裝及檢修過程中常常忽略此項國標要求，通過此次振動分析，后續在分析類似振動情況時，要充分考慮管道給水泵帶來的影響是否符合國標要求，消除可能影響泵組振動的不利因素。

4.2 改造泵軸承室固定支架

由于管道安裝為聚四氟材料墊片(安裝壓縮量約為20%)，因此會對泵體產生一定的拉力，但泵殼的結構無法進一步加強，維修人員對泵軸承室驅動端固定支架進行結構加強(加厚為10 mm，同時在軸向增加肋板)，使泵體抵抗變形的能力加強。

5 總結

通過分析、試驗，找出導致該電廠定子冷卻水泵振動高的根本原因是管道安裝偏差導致的拉力及變形引起聯軸器不對中，在后續水泵振動處理中要重點分析與檢查出入口法蘭的安裝質量，尤其是剛度較小的泵組，更應該重視管道對泵體的作用力是否符合國標要求，這樣才能夠在最大程度上消除管道配置過程所受到的應力[8]。

管道安裝偏差問題在工程安裝階段就已發現，但未引起足夠的重視，導致泵組日常期間頻繁發生振動高問題，通過很長時間才找到根本原因。這也說明重要設備的安裝階段偏差處理要嚴格控制，為日常良好運轉提供保障。