核電廠懸臂式風機振動周期性波動問題的研究

陶佳林

（核電運行研究（上海）有限公司設備可靠性研究所，上海 200126）

0 引言

風機在核電廠的正常運行中承擔著重要角色。在風機運行過程中，受到現場安裝、設備本體加工精度、設備調試、運行等各種因素的影響，經常會遇到各種各樣的振動問題。大量實踐表明對于皮帶傳動的懸臂式風機，除了最常見的不平衡問題外，周期性波動也是較為常見的一種振動問題。某核電廠以安全殼排風機B（MA-02B）為代表的4 臺風機反復出現周期性波動振動問題。這些風機設備處于輻射控制區內，反復處理振動問題對輻射劑量控制存在有一定的隱患。

因此，以MA-02B 風機為典型對象，通過振動時域和頻域分析方法，結合設備故障機理分析和設備維修歷史對比，對振動問題進行深入研究，確定了振動主要原因，徹底解決該振動問題，提高了設備可用性和可靠性。

1 風機概況及存在問題

核電廠安全殼排風機在機組正常運行期間，向安全殼內提供間斷的室外氣流，凈化過濾安全殼內氣體放射性。在機組冷停堆時，提供連續供氣，降低人員進入時的放射性風險，是放射性控制的重要設備。

現場測量安全殼排風機B 的振動，發現風機驅動電機自由端水平方向和電機驅動端軸向方向振動相比其他測點其他方向大，并且振動表現為明顯的周期性波動特征，其中電機自由端水平方向波動范圍為6.2～9.7 mm/s，驅動端軸向方向波動范圍為7.3～9.8 mm/s，波動周期均為10 s 左右。

2 風機振動問題分析

根據振動處理的思路：①對動態測量特征進行細致分析，結合故障形成機理，判斷出可能故障原因；②結合靜態安裝特征和工單歷史進行印證分析；③定位故障原因并確定其置信概率高低。對該懸臂風機風機的動態特征、靜態特征和工單歷史檢查分析如下。

2.1 動態測量特征

動態測量特征主要有：①相比較其他類型設備振動特征，風機的驅動電機驅動端存在明顯的軸向振動；②時域方面：風機的驅動電機自由端水平方向和電機驅動端軸向方向振動有明顯的波動情況，波動周期約為10 s；③風機的驅動電機自由端水平方向振動明顯高于垂直方向振動，差別達到400%以上。

2.2 靜態安裝特征

靜態安裝特征：①風機整體坐落在彈簧基礎之上，風機的電機部分側裝在風機箱體上，屬于典型的懸臂式風機；②風機的葉輪部分與電機部分是皮帶連接，屬于非剛性直聯；③風機框架為10 mm 厚的鋼板焊接而成，電機安裝基礎則為5 mm厚的C 型鋼板（相比框架剛度，電機安裝基礎C 型板剛度比框架剛度薄弱）。

2.3 檢修工單歷史特征

檢修工單歷史特征主要有：①該設備歷史上也存在振動異常現象，經過更換皮帶后，振動有所下降，但3 個月后振動又重新上漲；②風機空載振動小于1.0 mm/s，帶載后振動上漲，最高達到9.8 mm/s；③調整風機皮帶輪對中后，振動略有下降，但不明顯。

2.4 問題分析

2.4.1 驅動電機軸向振動

該風機的驅動電機存在明顯的軸向振動，說明該風機系統存在軸向的激振力，該軸向振動往往與不對中有關，不對中的產生原因及其特征表現：

造成不對中的原因主要有3 種：制造誤差、安裝誤差以及其他運行影響。

（1）制造誤差。在聯軸器或皮帶輪加工過程中，由于工藝或測量等原因造成端面與軸心線不垂直或不同心。這種情況的聯軸器處會產生一個附加彎矩，但這個彎矩的大小和方向不隨時間及運行條件的變化而變化，只相當于在聯軸器處施加了一個不平衡力，其結果是在聯軸器附近產生較大的1 倍頻振動，可通過加平衡塊的方法容易消除[1]。

（2）安裝誤差。由于安裝過程中，導致聯軸器兩端的兩個連接面不平行或不同心量過大，造成對中不良。當連接面平行但不同心時，主要引起徑向振動，并且振動頻率主要以1 倍頻和2 倍頻為主[2]，同時也存在多倍頻的諧波振動，不對中越嚴重，2 倍頻所占的比例越大。當連接面不平行但同心時，主要導致軸向振動較大，振動頻率為1 倍頻，可通過校正安裝誤差容易消除。

（3）其他運行影響。除了以上原因外，機組在運行過程中由于溫度等因素造成的不對中，其主要原因有：基礎受熱不均；機組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形；地基下沉不均等[3]。該情況下一般會與機組振動與工況和運行時間有明顯的相關性，并且往往隨著運行時間的增加，振動會快速上漲，并且上漲到一定量時趨于穩定。

結合該風機靜態安裝的特點：設備通過皮帶連接，非剛性直連，判斷風機側皮帶輪和電機側皮帶輪存在不對中的可能，如圖1 所示。

圖1 設備對中情況示意

結合工單歷史：調整風機皮帶輪對中后，振動略有下降，但不明顯，表明風機對中情況的調整和優化，有利于風機振動水平的改善，靜態不對中可能是故障原因之一，但并不是主要原因。

2.4.2 風機振動波動

風機振動有明顯的波動情況，波動周期約為10 s。通常風機振動表現為有規律的波動，往往與拍振有一定的關系，拍振產生的原因及其特征：

通常系統中存在兩個頻率略有差別的振源時，由于周期相差不大，每過一個周期兩個振動信號的相位差就會有較小的變化，隨著時間的推移，相位差會由0°到360°作周期性的變化，振動幅值呈現出隨時間時大時小的現象，拍振在波形上特征較為明顯，如圖2 所示。

圖2 拍振波形圖

對于拍振的處理，一般從三方面進行消除：①隔斷振動傳遞路徑，如改變設備支撐情況；②使兩個頻率分隔，如改變皮帶驅動設備的皮帶輪大小，使得兩激振頻率離開足夠的距離；③減弱分振動的強度，如對不平衡的轉軸進行精細動平衡，降低分振動強度。

2.4.3 綜合分析

結合設備靜態安裝特點：皮帶連接風機和電機部分的皮帶輪大小相同，考慮受皮帶輪加工精度影響，風機運行頻率和電機運行頻率可能存在細微差別以及皮帶通過頻率的倍頻與電機/風機的轉頻接近，也可能產生拍振。

結合工單歷史：經過更換皮帶后，振動有所下降，但一段時間后振動又重新上漲。表明皮帶是風機振動的其中一個敏感因素，皮帶隨著時間運行會產生磨損，可能會引起激振力的增加，導致振動增加。

風機的驅動電機自由端水平方向振動明顯高于垂直方向振動；通常同一測點不同方向振動測量值會存在一定差別，一般情況小于3 倍。但當振動差別大于3 倍甚至是5 倍以上時，往往與共振有一定的關系。一般電廠風機主要存在以下3 種共振相關的故障[4]：①轉子臨界轉速與實際轉速安全裕度不夠；②基礎不牢或支撐銹蝕裂紋；③軸承支撐設計剛度不足。

結合設備靜態安裝特點，設備電機安裝基礎相對薄弱，水平方向和垂直方向的剛度差別較大，水平方向的固有頻率可能會接近風機正常運行頻率，從而導致水平方向振動較大。此外由于周期性波動的頻率非常低（接近0.1 Hz），因此判斷如果產生共振，較大可能是電機基礎薄弱產生軸向搖擺引起。風機周期性波動激振力來源于皮帶輪之間動態不對中引起的軸向作用力，主要原因為電機基礎剛度薄弱，受到皮帶拉力后，引起電機支撐的細微變形，細微的變形使得原來電機側皮帶輪和風機側皮帶輪之間的平行對中狀態受到破壞，產生了起始的軸向作用力。

同時由于電機基礎剛度薄弱，產生軸向搖擺，頻率為波動頻率，偏擺到最左側位置時，軸向正作用力最大；偏擺到中間位置時，電機側皮帶輪和風機側皮帶輪平行對中狀態恢復，無軸向作用力；偏擺到最右側位置時，軸向負作用力最大，從而在偏擺過程中作簡諧運動，擺動頻率即為波動頻率。如果加強電機基礎支架剛度，將電機變形控制在可接受范圍內，將避免原來電機側皮帶輪和風機側皮帶輪之間的平行對中狀態被明顯破壞，產生的軸向作用力將明顯減小。設備同時受到軸向作用力減小和電機基礎剛度增強的作用后，產生的偏擺簡諧振動即可明顯降低。

基于以上分析，對周期性波動振動原因判斷如下：

（1）電機基礎薄弱產生軸向搖擺現象。

（2）風機側皮帶輪和風機側皮帶輪之間存在靜態對中不良情況。

（3）風機皮帶磨損老化。

置信概率分別是：原因1＞原因2＞原因3。

3 風機振動問題治理

3.1 治理過程

根據設備振動先易后難的治理原則，首先對設備對中進行檢查調整以及更換皮帶，調整后振動均未有明顯下降。后將電機5 mm 厚的基礎支撐板更換成10 mm 厚的基礎支撐板，更換后帶載測量，振動波動范圍從7.3～9.8 mm/s 下降至1.2～3.9 mm/s，下降接近60%，效果良好（表1）。

表1 安全殼排風機B（MA-02B）振動治理前后振動數據 mm/s

3.2 治理結果

將此治理方法應用到其他皮帶傳動懸臂式風機的振動治理中，發現更換電機基礎支撐板后振動有明顯下降（表2）。

表2 其他3 臺安全殼排風機振動治理前后振動數據 mm/s

4 結論

通過采用加強電機基礎支架剛度，使得電機變形控制在可接受范圍內，保證產生的變形不明顯破壞原來電機側皮帶輪和風機側皮帶輪之間的平行對中狀態，促使產生的軸向作用力明顯減小，并在軸向作用力減小和電機基礎剛度增強的共同作用后，達到明顯降低偏擺簡諧振動的目的。

給出分析方法和采取風機振動波動治理方法是某電廠技術人員細致分析設備結構特征和運行特性，結合故障機理診斷進行綜合分析的良好實踐，該方法通過在某電廠其他同類風機上的應用得到了充分的驗證，對于皮帶傳動懸臂式風機周期性波動問題的處理有著重要的指導意義。