多級立式離心泵振動高問題解決方法及應用

歐陽資義

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

核電站ACO（給水加熱器疏水回收系統）的設計是為了使第3 級和第4 級低壓給水加熱器殼側產生的冷凝水能夠受控排出，且能夠更充分地利用這些疏水的熱量，以提高給水的初始溫度，提高機組的熱循環效率。其疏水方式是用專用疏水泵將疏水打入第3 級和第4 級低加之間的凝結水主管道，這種方式可減少疏水熱損失，提高經濟性。

核電站1#、2#機組共有4 臺ACO 低加疏水泵。自安裝調試以來，該電站1#、2#機組ACO 電機非驅動端均存在振動高的問題。現場采集了4 臺ACO 泵的最大振動值，具體數據見表1。

表1 1#機組和2#機組ACO 泵組 振動數據 mm/s

該核電站ACO 低加疏水泵為筒袋型、立式、7 級離心泵，泵轉子長5 m，電機軸長1.7 m。泵額定流量197.7 m3/h，揚程189.3 m，出口壓力1.84 MPa，工作溫度117.3 ℃。ACO 泵組的空載、帶載振動值的報警值分別為2.8 mm/s 和4.5 mm/s。從表1 可以看出，1#、2#機組4 臺ACO 泵的振動值均超過報警值。

1 原因分析

現場采用頻譜儀測量4 臺ACO 泵組振動頻譜，均顯示為一倍頻，有結構共振的特征。泵組的運行工頻如圖1 所示，項目組現場采集的4 臺ACO 泵組的固有頻率見圖2：1ACO301PO、1ACO302PO、2ACO301PO 和2ACO302PO 的固有頻率分別為26.8 Hz、27.0 Hz、26.4 Hz 和26.9 Hz，泵組的工作頻率為25 Hz。

圖1 泵運行主要特征頻率

圖2 泵敲擊固有頻率

4 臺ACO 泵的固有頻率均接近工頻25 Hz，理論上符合泵組結構共振的特征。經過多次現場調研，項目組對導致泵組共振的原因進行分析，找到5 條可能因素，分別為電機支架剛度不足、泵組連接螺栓松動、水泥灌漿基礎松動、泵組動不平衡量超標和泵支架剛度不足。項目組對5 條可能因素逐一進行了排查驗證。

1.1 電機支架剛度不足

項目組對ACO 電機支架進行重新設計加工，將電機支架壁厚從12 mm 增加到16 mm，將開窗大小由350 mm×550 mm 減小為300 mm×530 mm，電機筒體由錐形改為直筒型，同時其內側增加周向6 條24 mm 厚約75 mm×650 mm 的加強筋。

將改造后的電機支架安裝至1#機現場，測量現場ACO 泵組固有頻率及帶載試驗結果：1ACO301MO 和1ACO302MO 的固有頻率分別為25.6 Hz 和25.7 Hz，振動值分別為32.0 mm/s 和14.6 mm/s。由于更換加強型的電機支架后ACO 泵組振動值不降反升，因此只增加電機支架的強度無法改善泵組振動值。

1.2 連接螺栓松動

項目組按照設備維修運行手冊標準逐項對設備各處螺栓力矩進行了校驗，

泵組各連接螺栓力矩值均滿足標準。

結論：ACO 泵組各連接螺栓無松動情況。

1.3 水泥灌漿基礎松動

現場測量4 臺ACO 泵組的水泥臺板振動值，在試驗位置1ACO301PO、1ACO302PO、2ACO301PO 和3ACO302PO，振動值分別為0.03 mm/s、0.05 mm/s、0.04 mm/s 和0.05 mm/s。以上數據表明，4 臺ACO 泵組的水泥臺板振動值均滿足標準，所以ACO 泵組水泥臺板灌漿無松動情況。

1.4 泵組轉子質量不平衡

將2ACO301PO 泵轉子拆出，外送動平衡廠家進行校正。校正結果滿足G1 標準后，將轉子回裝至現場，進行再鑒定試驗。泵組啟動后，測量振動值為7.1 mm/s，與動平衡校正前的振動值（7.6 mm/s）相比基本無變化。所以，泵組振動高與轉子質量不平衡無關。

1.5 泵支架剛度不足

為了驗證泵組支架剛度不足的因素，項目組設計制作了臨時金屬支撐桿，安裝在泵支架上，提高泵支架剛度，觀察泵組振動是否有變化。

對4 臺ACO 泵組安裝支撐桿后，測量泵組固有頻率，并進行泵組再鑒定試驗（表2）。

由表2 可知，在泵支架上安裝支撐桿進行加強后，泵組固有頻率均偏移工作頻率（25 Hz）10%以上，振動值均降低至4.5 mm/s 以下。可見，現場驗證泵組存在支架剛度不足的問題，并導致泵組結構共振。

表2 安裝支撐桿后泵組固有頻率及振動值

1.6 泵組共振原因

由上述分析可知，導致ACO 泵組產生共振的原因為泵支架剛度不足。

2 解決方案

基于上述分析，為解決泵支架剛度不足造成的泵組共振，項目組制定了兩種解決方案，分別為：①更換剛度更高的泵支架；②采用較輕的電機，并更換止口尺寸對應的電機支架。

2.1 更換為剛度更高的泵支架

2.1.1 方案分析

創造模擬模型對泵組進行分析。模擬模型建模參照設計總圖重心位置建立，通過調整密度使結構重量重心高連接剛度接近實際模型。對于進出口管道，分別采用100 kg 質點模擬依附于管口法蘭質量。總結構圖紙質量5320 kg 外筒體直接掛在基礎上。主要質量包含：外筒體825 kg，基座650 kg，電機架404 kg，出水殼體1221 kg，導葉殼體882 kg，誘導輪室54.4 kg，聯軸器84 kg，直管段334 kg，轉子252 kg，推力軸承155 kg，上軸115 kg，內殼體56 kg，導流體56 kg，軸封室33 kg，套筒聯軸器17 kg 及其他零件約181 kg 分布于導葉體、直管段、出水殼體上各取60 kg，內殼體與軸封部件合計89 kg，套筒聯軸器與上軸合計132 kg。

模型總質量5320 kg 與圖紙重量一致，電機質量1.6 t，重心高參考680 mm，含電機總結構重6.92 t（圖3）。

圖3 泵組模擬圖

對電機設置單獨底座，與泵體分別安裝在泵座上，泵座按照原來的1.65 倍放大，同時將地腳螺栓增加為8 個。模態計算分析結果見表3。由分析結果可知，當電機設置單獨底座、泵支架按照原來的1.65 倍放大時，共振振型下的固有頻率計算為29.8 Hz，37.9 Hz，其固有頻率提高了33%和41.4%。

表3 模態計算分析結果

2.1.2 實施成本分析

項目組多次進行現場調研，實施該方案，需對泵支架、吐出座、泵筒體等進行改造及更換，其工作量基本等同于更換整泵，備件制造工期預計6 個月，現場改造實施工期預計3 個月，電站大修窗口無法滿足，實施成本過高。

從成本角度分析，方案1 理論上可以解決泵組振動高問題，但實際成本消耗過高，可實施性低。

3、表面平整，有防水防潮處理措施，外墻勒腳做防水處理高度不低于0.6米。當采用灰漿抹面時，抹面層干凈整潔，沒有明顯龜裂、空鼓、剝落現象。當外墻采用清水磚墻時，進行勾縫處理。

2.2 更換采用較輕的電機，并更換止口尺寸相對應的電機支架

2.2.1 方案分析

對模擬模型進行調整，將固有頻率調整至22 Hz、25 Hz 附近，調整后的模擬圖見圖4。

圖4 模擬模型調整至22 Hz 和25 Hz 附近固有頻率

根據調整后的物理模型，采用同樣設置參數進行固有頻率計算。模擬的4 種方案分別如下：

方案1：采用初始的電機，選用電機重量1.60 t，重心高參考680 mm。

方案2：采用較輕的電機，選用電機重量1.27 t，重心高參考570 mm。

方案3：采用強化電機架，選用電機重量1.60 t，重心高參考680 mm。

方案4：采用強化電機架，選用電機重量1.27 t，重心高參考570 mm。

工作轉速1480 r/min，共振點頻率24.67 Hz，實際敲擊固有頻率為（22.5 Hz、26.5 Hz 和27.5 Hz）。

實際共振區間取間隔10%即為22.2～27.13 Hz（實際結構敲擊測試的固有頻率結果規定避開率為10%）。各物理模型模態計算結果見表4。

表4 各物理模型模態計算結果

所以，只有采取強電機架配輕電機時，其計算的第三、第四階固有頻率最低可達27.13 Hz 以上。因此建議按照“強電機架配輕電機”的模型解決共振問題。

2.2.2 實施成本分析

“強電機架配輕電機”的改造方案，即方案4：采用較輕的電機，并更換止口尺寸相對應的電機支架。改造成本分析如下：

（1）工期成本：備件加工工期3 個月，現場施工工期5 d。

（2）備件成本：新電機備件金額3 萬元，新電機支架金額1萬元，合計4 萬元。

（3）人力成本：更換新電機及新支架，現場施工需人員4 人，計算人力成本約1.4 萬元。

采用方案4 實施改造時，每臺泵組僅耗費成本約5.4 萬元，可以接受。

3 改造效果

確定最終實施方案后，項目組持續督促廠家生產輕型電機及配套支架，并安排組內成員赴廠監造，保證電機的生產質量。

在電機到廠后，在大修窗口分別將4 臺新電機、新支架安裝至現場并進行試驗。泵組帶載運行，振動值比改造前有大幅降低，達到卓越值（表5）。

表5 改造后的泵組振動值

通過上述方案改造，該核電站ACO 低加疏水泵振動高問題得到徹底解決，該技術方案驗證可行。

4 結論

引起多級立式離心泵振動高原因很多，項目組在處理過程中排除了螺栓松動、對中不良、潤滑不良、基礎不牢等多種因素，最終將原因鎖定在泵支架剛度不足。在制定處理方案時，通過綜合對比方案的實施效果、實施成本，制定了更換輕電機及配套電機支架的解決方案。在方案實施過程中，項目組嚴格把關，確保電機生產質量。最終新電機安裝到現場帶載運行時，振動值達到優越值，成功解決該核電站ACO 泵組振動高的問題，保障了機組的安全穩定運行。