核電廠長軸液下泵電機(jī)振動處理

陳子萌，劉 偉

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

立式長軸液下泵具有節(jié)省空間和便于管道布置的特點，在核電廠應(yīng)用廣泛。但因其軸系長、重心較高和機(jī)座尺寸小，容易引發(fā)泵組振動故障。某核電廠廢水池排污泵電機(jī)振動超標(biāo)(振動速度最大為9.4 mm/s，運(yùn)行限值為4.5 mm/s)，嚴(yán)重影響運(yùn)行可靠性。電廠維修人員對泵組進(jìn)行了解體檢查，未發(fā)現(xiàn)泵組本體缺陷，重新安裝后振動依然超標(biāo)。為查明故障原因，在核電現(xiàn)場進(jìn)行泵組振動測試和故障診斷。

1 振動現(xiàn)象

1.1 設(shè)備介紹

某核電廠常規(guī)島含油廢水池配備兩臺長軸液下泵，兩臺泵間歇運(yùn)行，負(fù)責(zé)將汽輪機(jī)廠房地坑廢水排送至廢水處理系統(tǒng)，輸送介質(zhì)為含油廢水。泵型號為FY80-200，額定轉(zhuǎn)速為2 945 r/min，揚(yáng)程為35 m，功率為22 kW，流量為130 t/h。泵組整體安裝于廢水池上方兩根C22型槽鋼基礎(chǔ)上，通過底板螺栓與槽鋼相連，電機(jī)和泵采用彈性套柱銷聯(lián)軸器撓性連接。泵組結(jié)構(gòu)及振動測點見圖1。

圖1 泵組結(jié)構(gòu)及振動測點示意圖Fig.1 Pump group structure and vibration measurement point diagram1—電機(jī)上軸承測點；2—電機(jī)下軸承測點；3—泵軸承測點

1.2 振動測量

兩臺排污泵自安裝調(diào)試以來電機(jī)帶載振動超標(biāo)，空載試轉(zhuǎn)合格。對泵和電機(jī)進(jìn)行解體檢查未發(fā)現(xiàn)異常缺陷，泵體水力部件和軸承狀況良好，排除汽蝕、葉片磨損和導(dǎo)軸承間隙超差等故障。在排除設(shè)備安裝和檢修質(zhì)量問題后，對泵組進(jìn)行了振動測試和頻譜分析，測量電機(jī)上部軸承振動速度最大為9.4 mm/s，遠(yuǎn)超過運(yùn)行限值。電機(jī)上部軸承南北方向(X方向)和東西方向(Y方向)振動相位差為180°。泵組振動測量值見表1，電機(jī)上部軸承振動頻譜見圖2。

表1 泵組振動測量值Table 1 Vibration measurement of pump group

圖2 電機(jī)上軸承橫向振動頻譜圖Fig.2 Transverse vibration spectrum diagram of motor upper bearing

2 振動分析

2.1 振動特點分析

根據(jù)現(xiàn)場測量的振動數(shù)據(jù)分析泵組振動現(xiàn)象，振動特點主要表現(xiàn)為電機(jī)上部振動超標(biāo)，從上往下振動烈度逐漸減小，泵側(cè)振動未超過限值。由頻譜分析可知，電機(jī)振動主要以1倍頻為主，無其他故障頻率，屬于普通強(qiáng)迫振動[1]。對于普通強(qiáng)迫振動而言，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與其動剛度成反比[2]：

A=F/K

(1)

式中，A為振幅；F為激振力；K為部件動剛度。

K=k/β

(2)

(3)

(4)

式中，k為部件靜剛度；β為動力放大因子；ω為激振力頻率；ξ為相對阻尼系數(shù)；ωn為支撐系統(tǒng)自振頻率，m為參振質(zhì)量[3]。

引起轉(zhuǎn)動設(shè)備普通強(qiáng)迫振動故障的主要因素有：1)激振力大；2)支撐動剛度低。肯定和排除其中一個因素，是故障診斷的第一步。

2.2 異常激振力排查

在轉(zhuǎn)動設(shè)備中，1倍頻振動故障是最容易發(fā)生的，大部分情況下與轉(zhuǎn)子動平衡、軸彎曲、結(jié)構(gòu)松動或動靜摩擦相關(guān)[4]。而立式電機(jī)普通強(qiáng)迫振動異常激振力的來源主要是轉(zhuǎn)子不平衡和軸系不對中等影響因素。

查詢設(shè)備出廠質(zhì)量驗收報告，轉(zhuǎn)子已經(jīng)做過動平衡校正，殘余不平衡量很小，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時電機(jī)上部軸承X方向和Y方向振動相位相差180°，不符合轉(zhuǎn)子不平衡的振動特征，可以排除不平衡故障影響；檢查電機(jī)與泵聯(lián)軸器中心偏差小于0.05 mm，符合撓性聯(lián)軸器對中標(biāo)準(zhǔn)。泵組振動頻譜中沒有明顯的不對中故障頻率，可以排除軸系不對中產(chǎn)生異常激振力的可能。

2.3 支撐動剛度檢查

立式長軸液下泵因為軸系設(shè)計和安裝特點，通常支撐在環(huán)形基礎(chǔ)臺板上。又因其重心較高、基座尺寸小，會導(dǎo)致基座和支架剛度偏弱，結(jié)構(gòu)固有頻率低，容易引起橫向振動和結(jié)構(gòu)共振[5]。

測量泵組各部件之間的振動差值，電機(jī)、泵支架和泵底板法蘭連接處的振動差值小于0.5 mm/s，未發(fā)現(xiàn)明顯差別振動，設(shè)備不存在連接松動和連接剛度不足故障。檢查泵組基礎(chǔ)安裝情況發(fā)現(xiàn)兩處設(shè)計安裝問題：1)基礎(chǔ)槽鋼兩端直接放置在混凝土地面上，底部與預(yù)埋件焊接固定，沒有進(jìn)行土建預(yù)埋和二次灌漿；2)基礎(chǔ)槽鋼構(gòu)成的簡支梁懸臂段跨距較長，在中間位置缺少有效支撐，不符合設(shè)計規(guī)范。

進(jìn)一步測量基礎(chǔ)槽鋼振動，測量槽鋼中間段振動達(dá)到5.5 mm/s，遠(yuǎn)超過槽鋼兩端和泵底板振動值，判斷泵組基礎(chǔ)剛度存在不足。同時，針對電機(jī)上部振動異常放大現(xiàn)象，采用錘擊法[6]測量電機(jī)固有頻率，排查結(jié)構(gòu)共振的影響。錘擊測得電機(jī)固有頻率50 Hz。

電機(jī)橫向固有頻率為50 Hz，泵組轉(zhuǎn)速頻率為49.08 Hz，兩者頻率接近，運(yùn)行期間會造成電機(jī)結(jié)構(gòu)共振。當(dāng)激振力與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件自身的固有頻率相近，結(jié)構(gòu)件振動狀態(tài)會表現(xiàn)得非常敏感，較小的激振力會引發(fā)大的振動波動，產(chǎn)生明顯整體響應(yīng)，造成振動嚴(yán)重超標(biāo)。

2.4 振動驗證

由式(4)可知，如果要避開共振，可以改變系統(tǒng)剛度或參振質(zhì)量來調(diào)整系統(tǒng)固有頻率。現(xiàn)場設(shè)備參振質(zhì)量往往難以調(diào)整，采用改變系統(tǒng)剛度的方法驗證共振的影響。為了進(jìn)一步驗證振動分析結(jié)果，對泵組進(jìn)行了臨時支撐和松緊螺栓兩項振動試驗，測試結(jié)果如下。

在電機(jī)與墻壁，基礎(chǔ)槽鋼與墻壁之間分別敲入尺寸合適的方木，增加水平方向臨時支撐，提高泵組支撐剛度。安裝支撐后啟機(jī)試驗，測量電機(jī)振動速度值由9.4 mm/s下降至7.1 mm/s，振動有明顯改善。

泵組運(yùn)行期間，安排檢修人員手動調(diào)整電機(jī)地腳螺栓緊固力矩，通過降低連接剛度的方法改變電機(jī)固有頻率，使其避開共振頻率。在減小相鄰兩顆電機(jī)地腳螺栓力矩后，電機(jī)基頻振動幅值下降明顯。

由上述振動分析和實驗測試可知，泵組電機(jī)振動超標(biāo)的根本原因是基礎(chǔ)剛度不足引發(fā)的電機(jī)結(jié)構(gòu)共振。

3 振動處理

3.1 共振處理

共振對振動影響較大，消除共振是振動處理的關(guān)鍵。振動是系統(tǒng)在外部激勵下的整體響應(yīng)，不僅與激振力的性質(zhì)，激勵頻率和幅值等有關(guān)，也與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量、彈性剛度、阻尼等自身固有特性有關(guān)。處理共振常用的治理措施有改變結(jié)構(gòu)固有頻率和減小激振力兩種方法。因電機(jī)橫向固有頻率和轉(zhuǎn)頻相近，造成結(jié)構(gòu)共振，現(xiàn)場選取改變結(jié)構(gòu)固有頻率的方法進(jìn)行消振。改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件自身的固有特性，使其固有頻率避開共振，可以顯著改善振動狀況。

項目改造從經(jīng)濟(jì)效益和工程實施便捷性的角度考慮，會選定對系統(tǒng)固有頻率影響最大的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，來改變系統(tǒng)固有頻率[7]。由于核電廠房土建施工已完成，在廢水池上方人員施工作業(yè)難度大，現(xiàn)場不具備重新設(shè)計和安裝設(shè)備基礎(chǔ)的條件。因此，結(jié)合泵組安裝環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，選定基礎(chǔ)槽鋼作為優(yōu)化對象，通過增加橫向支撐來提高設(shè)備整體支撐剛度。

3.2 加強(qiáng)系統(tǒng)剛度

選定基礎(chǔ)槽鋼中間懸臂段進(jìn)行加固，在基礎(chǔ)剛度最薄弱的位置增加支撐。利用廠房墻體預(yù)埋件作為焊接錨點，在基礎(chǔ)槽鋼與墻體之間，以及兩根槽鋼之間焊接鋼結(jié)構(gòu)橫向支撐件，通過增加橫向支點的方式來提高泵組整體支撐剛度。基礎(chǔ)改造方案見圖3。

圖3 基礎(chǔ)改造簡圖Fig.3 Basic reconstruction sketch1，2—基礎(chǔ)槽鋼加固件；3，4—槽鋼與墻體支撐件

3.3 效果驗證

設(shè)備基礎(chǔ)改造完成后，對電機(jī)進(jìn)行錘擊測量，測得電機(jī)固有頻率由50 Hz提升至59 Hz，已避開泵組轉(zhuǎn)速頻率。啟機(jī)驗證結(jié)果，電機(jī)振動最大3.5 mm/s，降至合格水平，滿足長期運(yùn)行要求。處理后泵組振動測量值見表2。

表2 泵組振動測量值Table 2 Vibration measurement of pump group

4 結(jié)論

立式長軸泵發(fā)生振動問題后，在工程現(xiàn)場難以有效規(guī)范處理，可以利用振動測試和頻譜分析查找故障根本原因，再通過加強(qiáng)弱支撐、在線動平衡和調(diào)整地腳墊片等非標(biāo)準(zhǔn)性措施進(jìn)行消振。

本文以國內(nèi)某核電廠的長軸液下泵為研究對象，針對立式長軸泵常見的橫向振動和結(jié)構(gòu)共振故障，采用改造基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提升支撐剛度的方法，使設(shè)備固有頻率避開激振頻率，最終消除結(jié)構(gòu)共振，解決了長期影響設(shè)備可靠運(yùn)行的工程難題。