核電廠350kW大型立式電機振動診斷及治理

鄭東佳 董 波

(福建福清核電有限公司，福建 福州 350318)

1 概述

安全注入系統和安全殼噴淋系統是核電廠專設安全系統，用于核電廠設計基準事故工況下，操縱員向核反應堆堆芯注入冷卻水冷卻反應堆、向安全殼內噴淋冷卻水以降低事故時安全殼內的輻射裂變產物濃度，以確保核反應堆堆芯的應急冷卻和安全殼完整，限制嚴重事故發展、減輕事故后果，而大型立式電機安注泵電機與安噴泵電機分別是這兩個專設安全系統的關鍵設備。

自建安調試期間開始，該類大型立式電機就頻繁出現振動高的問題，影響調試及大修計劃，威脅機組安全穩定運行，嚴重時延誤調試計劃長達2個月。為了解決問題，電廠先后嘗試了多種措施，包括將電機冷卻水管道由不銹鋼變更為金屬軟管、增加冷卻水管道的支吊架、混凝土地面增加木樁支撐等措施，以及頻繁開展中、基礎平整等維修工作[1]。投入巨大人力物力，短時間內發揮了相應作用，電機振動水平得到一定的改善，但運行一段時間后，該類電機的振動水平往往又會緩慢爬升[2]。上述原因使“安注/安噴泵電機振動問題”成為核電廠的“疑難雜癥”。該類電機安裝結構示意圖如圖1所示。

圖1 電機安裝結構示意

2 振動診斷

2.1 啟動前固有頻率

以該類大型立式電機振動最典型的2號機組安全注入系統1號泵電機為研究對象，進行振動診斷及治理，再將經驗反饋至該類型其他電機。

由于電機頂部對振動最敏感，為系統關鍵位置，開展測試前電廠已在電機頂部增加抱箍，所以先測量該狀態下系統的固有頻率，然后松開電機頂部抱箍后補充測量電機頂部固有頻率進行比對。現場測試數據取前兩階，數據如表1所示。

表1 固有頻率及振型描述

2.2 啟動后振動幅值

電機頂部卡箍松緊兩種情況下，振動幅值測試如表2所示(振動需按照速度有效值≤4.5mm/s控制)。

表2 電機帶載啟動后振動水平

2.3 振動頻譜/瀑布圖

電機振動頻率24.7Hz，屬于一倍頻振動，且頻譜單一，其他頻率分量占比小(圖2)。

圖2 電機振動頻譜

2.4 數據分析

電機頂部加卡箍后，電機前兩階頻率分別為25Hz和28Hz，模態振型分別為沿Y方向彎曲和沿X方向彎曲。在松開支撐后的自由狀態時，電機前兩階模態頻率分別為22Hz和23Hz，加支撐比不加支撐時電機的前兩階頻率分別升高了3Hz和5Hz。這是因為電機頂部抱箍支撐方式為T形支撐，沿Y方向支撐剛度較小，而沿X方向支撐剛度較大。

松開電機頂部卡箍后，X、Y向的振動值分別為14.0mm/s、15.5mm/s，X向振動增加，Y向振動降低，變化原因與電機固有頻率變化相關。電機振動頻率24.7Hz，電機頂部加支撐后，X、Y方向的固有頻率分別為28Hz和25Hz ，Y方向固有頻率接近泵的工作頻率24.7Hz，在工作頻率的激勵下，電機水平Y向的振動值比水平X向的振動值大。松開電機頂部卡箍后，X方向和Y方向固有頻率變化為23Hz和22Hz，X方向更接近泵的工作頻率24.7Hz，所以振動增加；Y方向固有頻率相對遠離泵的工作頻率，所以振動相對降低。

2.5 同類型設備排查驗證

該電機的振動測試試驗表明，共振是其根本原因，對同類型電機的固有頻率進行排查對比發現，同類型其他電機固有頻率同樣位于泵的激勵頻率(工作頻率24.7Hz)附近，再次證實了這一推斷。其他幾臺泵的電機測量頻率如表3所示。

表3 同類型電機固有頻率排查結果

2.6 診斷結論

該類大型立式電機振動高主要由一倍頻振動造成，而一倍頻不平衡力的來源比較廣泛，如電機存在虛腳，電機或者泵轉子不平衡，電機與泵中心在泵組運行中發生了跑偏，電機冷卻水管接口法蘭張口變大，電機空冷器的質量相對電機軸另一端比較集中等都會部分產生一倍頻率的不平衡力，這些都是電機振動高的促成原因。電機固有頻率與工作頻率相近，其抵抗不平衡力的“抗干擾能力”變差，即使微小的不平衡力都會在共振的情況下使設備產生相當大的振動，對設備極具危害性，所以“共振”是電機振動高的根本原因。

3 振動治理

3.1 避免共振的方法

要避免共振，在激勵頻率無法改變的情況下，首先需提高或者降低設備的固有頻率，而根據該類型電機固有頻率排查結果，提高電機的固有頻率具有現實意義。由于固有頻率f正比于電機質量及剛度，所以要提高電機固有頻率，在不可能減小電機質量的前提下，提高電機系統的剛度，成為唯一可行的方法。

其次，從工程角度分析，設備一倍頻率的不平衡力無法避免，運行時總會產生或大或小的不平衡力。要解決該大型立式電機的振動問題，一方面需要設法改變電機固有頻率，盡量避開工作頻率，提高電機對不平衡力的抵抗能力；另一方面需要排查產生一倍頻不平衡力的源頭，盡量降低設備不平衡力。

3.2 拆除電機頂部卡箍

根據安注系統1號電機的靜態及動態振動分析，電機在無卡箍支撐下的前兩階固有頻率分別為22Hz 和23Hz，加上卡箍后的固有振動頻率分別為25Hz和28Hz，而電機工作頻率為24.7Hz，與加上卡箍后Y方向固有頻率25Hz重合，所以電機頂部卡箍對于振動有害無益。重新設計新的卡箍對于固有頻率的改變尚不明確，而且電機卡箍的安裝會引入額外的不平衡力，所以應該拆除電機頂部卡箍。

3.3 平整電機基礎

基于前期的振動測試與分析結論，需要盡量降低設備的不平衡力，首先確保電機基礎的水平度符合標準，消除電機虛腳。電機整體放置于基礎圓板上，基礎圓板放置于基礎方板上，基礎方板落座于混凝土地面，各部件通過地腳螺栓連接。電機檢修時，分別測量電機基礎圓板和基礎方板的水平度，將水平度控制在標準范圍內。拆去電機基礎圓板與基礎方板之間的墊片，在基礎方板加工后的上表面均勻涂一層紅丹粉，放上基礎圓板，檢查接觸情況，確保接觸面積達75%以上，如果接觸達不到要求，加工控制電機基礎圓板上的高點，直至符合要求為止。

3.4 消減冷卻水管施加的外部拉力

電機與外部唯一硬連接的部件為電機冷卻水管道，電機冷卻水管與電機空氣冷卻器連接，用于冷卻電機空氣冷卻器內的熱空氣。所以，要減小電機外部應力，應檢查電機冷卻水管道是否引入了額外的不平衡力。電機設備冷卻水管接口處表面張口偏差最高達到8mm，遠超過標準要求，現場臨時降低法蘭張口偏差后，設冷水管對電機的拉力有所減小，振動也有所下降，驗證確實存在管道應力。為消除管道應力，可以按現場管道布置情況重新裝配管道，切斷原冷卻水管并重新焊接，消除管道應力對泵組振動的影響。也可以將冷卻水進、出口管道改為金屬軟管，值得注意的是改軟管雖然降低了外部應力，但是同時也會影響電機系統的固有頻率，需要結合電機固有頻率綜合考量。

3.5 嚴格控制轉子對中

不平衡力的另一個重要來源為電機與泵對輪中心在泵組運行中發生了跑偏或者泵組聯軸器同心度超標。該類立式電機的轉軸較長，自上到下由電機轉子、上聯軸器、中間軸長軸、下聯軸器、中間軸短軸及泵轉子組成。由于系統可能存在外部應力，泵組頻繁啟動時使電機發生微量位移，在泵組運行時均會產生一定的不平衡力。檢修期間應按照正確的順序，將電機及泵的靠背輪與聯軸器、中間軸的徑向及軸向跳動控制在標準范圍內。安裝聯軸器時需盡量保證電機靠背輪、泵靠背輪的瓢偏值能夠互補，按照這一原則確定泵轉子與電機轉子的相對位置，將靠背輪的瓢偏對振動的影響降到最小。還應注意將聯軸器螺栓按質量進行兩兩組對，質量相同或最接近的兩個螺栓編為一組，同一組中的兩顆螺栓安裝于對稱180°的位置，盡量減小轉子的不平衡力。

3.6 墊片變更與地腳螺栓力矩提升

變更電機、基礎圓板及基礎方板之間的墊片并提高地腳螺栓力矩是提高電機剛度的方法之一。取消電機基礎圓板與基礎方板之間的墊片，改為涂抹平面密封膠進行密封，將電機與基礎圓板間的非金屬墊更換為內、外雙環墊片，內環為碳鋼金屬墊(保證剛度)、外環為橡膠墊(保證密封)。由于使用環境有輻照要求，金屬墊材料不能含有鈷元素，橡膠材料使用耐輻照橡膠。同時將電機地腳螺栓力矩由220N·m提升至280N·m，經測量，改造后電機頂部X向及Y向固有頻率分別由23Hz、22Hz提升到25.7Hz和24.1Hz。

3.7 增加空氣冷卻器底部頂絲

在嘗試了多種增加固有頻率的方法后，發現在電機空氣冷卻器底部增加頂絲效果(4個M30螺栓)最好。頂絲位置如圖3所示。

圖3 電機空氣冷卻器底部頂絲安裝位置

3.8 綜合治理效果

對電機的各項治理措施逐步實施完成后，電機的振動水平有了明顯改善，振動由6.5mm/s逐步降到1.2mm/s，并且振動穩定不反復。完成治理的振動趨勢如圖4所示。

圖4 對策實施后振動趨勢

4 核安全評估及優化提升

4.1 電機抗震性能分析

增加頂絲后，選擇有限元分析的方法對電機開展抗震性能分析。電機殼體材料Q235-B，地腳螺栓性能等級8.8級，設備自重約3900kg。通過有限元分析得到的電機分別在沒有頂絲、增加頂絲以及增加頂絲且地震載荷情況下的模態頻率，得出電機結構在加裝頂絲后事故工況地震載荷下固有頻率稍有提高，設備剛度滿足要求。

電機是通過8個M36的8.8級螺栓固定于基礎板上，取事故工況下螺栓載荷進行評定，根據有限元計算結果，工作溫度下的剪應力、拉伸應力小于其他工況(指穩態工況、正常運行工況和運行瞬態及小破口緊急工況)許用應力，更遠小于事故工況許用應力。計算地腳螺栓的拉剪組合系數，地腳螺栓應力滿足規范要求。

4.2 電機焊縫影響分析

在電機空冷器底部增加頂絲后，于潛在高應力區域布置應變片，對啟泵前后電機冷卻水箱各部位的應變進行測量，計算潛在高應力區域的最大交變應力強度，判斷改造是否會對電機焊縫造成影響。

電機冷卻水箱最大動應力區位于冷卻水箱與電機筒體連接根部的上表面附近，各主要部位在啟泵前后的應力無明顯變化，泵的運行沒有導致冷卻水箱結構產生局部變形，且各測點在泵運行過程中產生的振動應力均小于材料持久疲勞應力限值。另一潛在高應力區域是冷卻水箱與電機筒體連接根部下表面，此部位振動應力與冷卻水箱與電機筒體連接根部上表面相當，同樣小于材料持久疲勞應力限值。測量結果表明，在電機冷卻水箱底部增加頂絲，不會對電機焊縫造成影響。

4.3 優化與提升

為提升治理措施的普遍適用性，降低改造成本和核安全風險，安注系統1號電機振動治理完成后，進一步將電機空冷器底部增加頂絲的方案優化設計為該類大型立式電機專用減振工具，以方便安裝定位和拆卸檢修，且專用工具比4個頂絲獨立布置更穩定。設計示意圖如圖5所示。

圖5 專用工具設計示意圖

5 結論

①振動根本原因：該類電機振動頻繁發生且難以治理的根本原因為電機的固有頻率接近工作頻率，電機始終處于振動敏感區，加上偶發一倍頻不平衡力，即使力比較小，也導致較大振動，而振動增大會進一步導致不平衡力增大，出現“越振越偏、越偏越振”的惡性循環。

②振動治理措施：優化各部件之間墊片，在合理范圍內提升地腳螺栓力矩，特別是在電機冷卻水箱底部增加頂絲提高電機固有頻率，使電機避開振動敏感區，并消除造成一倍頻不平衡力的各內外部因素，使電機受到的不平衡力降低。

③使用專用工具降低同類型泵的振動：對于同類型設備振動問題，可以使用專用減振工具。專用減振工具滿足“找到一個合理可行、穩定性高、同類型設備普遍適用且核安全風險及改造成本盡量低的方案，以降低振動水平并提高抗干擾能力”的任務目標。