核電站立式泵組結(jié)構(gòu)共振疊加摩擦故障的診斷分析和治理研究

劉明利，王新陽，張輝仁

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

廠用水泵是核電站重要的保證冷源的動力設(shè)備，振動高故障嚴(yán)重威脅核島冷源的縱深防御功能，同時影響核電站的安全穩(wěn)定運行。廠用水泵是立式深井泵，采用導(dǎo)軸承作為泵轉(zhuǎn)子的徑向支撐，但由于導(dǎo)軸承數(shù)量較多且位于筒體內(nèi)部，無法直接測量其振動，使得泵轉(zhuǎn)子振動問題往往不能及時發(fā)現(xiàn)。

本文介紹某核電站廠用水泵泵組電機軸承突發(fā)振動高故障，對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合頻譜和理論研究，準(zhǔn)確判斷了電機突發(fā)振動故障的原因在于泵組轉(zhuǎn)軸部件，經(jīng)過解體檢修驗證了判斷的正確性。同時，該故障誘發(fā)了泵組結(jié)構(gòu)共振，通過動平衡方式進(jìn)行了降振處理[1]。

1 立式泵組結(jié)構(gòu)特點和共振特性分析

鑒于立式結(jié)構(gòu)泵組具有管路布置方便、節(jié)省空間等特點，在核電廠中大型的凝結(jié)水泵、低加疏水泵、循泵、廠用水泵等廣泛采用立式結(jié)構(gòu)，但同時由于立式泵軸系較長、相對支撐剛度低，工作轉(zhuǎn)速容易接近設(shè)備的結(jié)構(gòu)共振區(qū)，導(dǎo)致泵組在工作運行頻率下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振[2,3]。

1.1 立式泵組結(jié)構(gòu)特點[4]

（1）立式泵組軸系布置細(xì)而長，特別是多級泵，軸系較長，如圖1 所示，泵座、支架等結(jié)構(gòu)件的剛度較弱，易導(dǎo)致其泵體的橫向剛度較差，結(jié)構(gòu)固有頻率較低。

圖1 廠用水泵泵組軸系簡圖及結(jié)構(gòu)振型圖Fig.1 Diagram of the shaft system and structural vibration mode of service water pump unit

為便于軸系安裝與維護(hù)保養(yǎng)，立式泵組的電機機架一般在某一個方向上留有較大面積的窗口，一方面降低了泵組的固有頻率，另一方面使得泵組兩個方向的固有頻率不同。

（2）相比于臥式泵組，立式泵組受到管道布置的限制，一般安裝在環(huán)形基礎(chǔ)臺板上，導(dǎo)致其基礎(chǔ)支撐剛度變?nèi)酰档土吮媒M的結(jié)構(gòu)固有頻率。

1.2 立式泵組共振特性分析[5,6]

（1）通過錘擊法得到較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)固有頻率，來判斷泵組的結(jié)構(gòu)共振，同時也可以通過松動電動機與支架連接螺栓觀察振動變化情況來識別。根據(jù)立式泵組結(jié)構(gòu)共振的振動特點，通過結(jié)構(gòu)振型圖，可以查找結(jié)構(gòu)共振源，如圖1 所示。

（2）立式泵組發(fā)生結(jié)構(gòu)共振后，其振動狀況會表現(xiàn)得非常敏感，抗振能力很弱，轉(zhuǎn)子激振力較小的變化，比如運行工況變化、檢修產(chǎn)生輕微不平衡、停運一段時間重啟后冷熱態(tài)引起轉(zhuǎn)子微弱變形等均可能再次引起振動的波動，這樣泵組需要頻繁地進(jìn)行動平衡。

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)共振的機理，振動處理一方面通過改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，例如增加支撐提高剛度、增加阻尼降低固有頻率以及安裝調(diào)整，另一方面通過精細(xì)動平衡，降低引起結(jié)構(gòu)共振的激振力，從而降低結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的振動。

2 廠用水泵泵組概述和振動數(shù)據(jù)

2.1 廠用水泵泵組概述

某核電廠2 號機組配有3 臺廠用水泵，一臺運行、一臺熱備用、一臺冷備用。該泵為立式、7 軸、單支座的濕式水泵，采用浸沒式葉輪，出水管水平布置在泵基礎(chǔ)的上方。從泵吸入口到電機支撐座長度為19.2 m，泵軸依靠揚水管上的徑向橡膠軸承進(jìn)行徑向定位。軸向推力軸承位于電機上部。泵組轉(zhuǎn)速為 994 r/min（16.5 Hz），揚程為54 m，功率為500 kW，流量為2 680 m3/h。廠用水泵在電動機支架上法蘭面上裝有在線振動傳感器，用以監(jiān)測泵體振動。電機側(cè)沒有在線振動監(jiān)測儀表，工作人員采用便攜式振動儀表進(jìn)行振動測量。泵組結(jié)構(gòu)及振動傳感器布置如圖2 所示。

圖2 泵組結(jié)構(gòu)及振動測點示意圖Fig.2 The pump unit structure and vibration measuring points

2.2 廠用水泵泵組振動數(shù)據(jù)

2021 年2 月13 日廠用水泵泵體在線振動傳感器振動高閃發(fā)報警，振動最大值為5.1 mm/s，超過報警4.5 mm/s，隨后振動測量人員對泵組進(jìn)行了就地振動測量，振動數(shù)據(jù)如表1 所示，其中電機垂直方向振動值達(dá)到9.71 mm/s，振動值超過停機值7.1 mm/s，隨即停運該泵，切換至B 泵運行。

表1 泵體和電機振動測量數(shù)據(jù)Table 1 Vibration measurement data of the pump body and motor

結(jié)合振動測點1 位置在線振動數(shù)據(jù)和就地對位置1 和位置2 的振動測量數(shù)據(jù)，泵體振動都在合格振動標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，電機的振動值超過停機值7.1 mm/s。由于泵體振動值在限值以內(nèi)，且泵體頻譜和電機頻譜成分較為相似，因此本文主要對電機進(jìn)行頻譜分析。其中，頻譜最大分析頻率為1 600 Hz，頻率分辨率為0.25 Hz，由于振動主要頻率成分集中在工頻附近，所以頻譜中只截取100 Hz 以內(nèi)的頻段。電機水平方向和垂直方向振動頻譜如圖3、圖4 所示。

圖3 電機水平方向振動頻譜Fig.3 Diagram of horizontal vibration spectrum of motor

圖4 電機垂直方向振動頻譜Fig.4 The vertical vibration spectrum of the motor

通過頻譜圖可以看出，振動的主要頻率以15.5 Hz 為主，并不是以轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 為主，同時存在14.5 Hz 的頻率成分。這和以往該泵組振動的情況存在差異（該泵組以往的運行中的振動頻譜主要以單一的工頻16.5 Hz 為主）。

3 廠用水泵泵組電機振動原因分析

3.1 泵組電機歷史振動數(shù)據(jù)

關(guān)于電機振動高，為了分析電機振動故障原因，同時確定泵組中的14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率成分，分別調(diào)取了2020 年6 月22 日、2020年8 月26 日、2020 年10 月20 日三次振動數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 泵組振動歷史數(shù)據(jù)Table 2 The historical vibration data of the pump unit

根據(jù)表2 振動數(shù)據(jù)可知，電機和泵體的振動都在合格范圍之內(nèi)。電機水平方向和電機垂直方向振動頻譜分別如圖5、圖6 所示。

圖5 電機水平方向振動頻譜圖Fig.5 The horizontal vibration spectrum of the motor

圖6 電機垂直方向振動頻譜圖Fig.6 The vertical vibration spectrum of the motor

3.2 振動數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上三段歷史振動數(shù)據(jù)可以看出：

（1）對于電機水平方向而言，振動值在2～3 mm/s，振動值低于4.5 mm/s，振動合格；振動頻譜主要以轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 為主。

（2）對于電機垂直方向而言，振動值低于1 mm/s，同時振動情況優(yōu)于水平方向；振動頻譜產(chǎn)生異常情況：2020 年6 月22 日中，主要以轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 為主；8 月26 日中，出現(xiàn)14.5 Hz、15.5 Hz 頻率成分，并且以15.5 Hz 頻率為主；10 月20 日中，依然出現(xiàn)14.5 Hz、15.5 Hz 頻率，以14.5 Hz 頻率為主。

結(jié)合2021 年2 月13 日振動超標(biāo)的振動數(shù)據(jù)和頻譜分析如下：

（1）2020 年6 月22 日，電機振動水平方向和垂直方向振動合格，振動主要以16.5 Hz 為主，占據(jù)90%以上，說明主要以工頻振動為主；

（2）8 月26 日和2020 年10 月20 日，電機水平方向依然以頻率16.5 Hz 為主，以工頻振動為主；但是垂直方向不再以16.5 Hz 為主，出現(xiàn)了14.5 Hz 和15.5 Hz 頻率成分，而且還占據(jù)主要頻率；

（3）2021 年2 月13 日，電機水平方向和垂直方向振動值分別達(dá)到 5.68 mm/s 和9.71 mm/s，頻率都以 15.5 Hz 為主，都存在14.5 Hz、16.5 Hz 頻率。這種振動特征說明引起振動的原因已經(jīng)不是普通的工頻振動。

3.3 振動原因的分析[7-13]

（1）由于泵組在電機上部及下部安裝了滾動軸承，滾動軸承故障是引起復(fù)雜頻率的故障的一種原因。當(dāng)滾動軸承故障發(fā)展到故障后期，即出現(xiàn)軸承部件沖擊時才會出現(xiàn)較為豐富復(fù)雜的頻率，并且會引起頻譜中整個地平噪聲的整體提高。振動診斷人員通過CSI2140 振動分析儀表對電機兩個滾動軸承進(jìn)行軸承故障分析，根據(jù)軸承型號和軸承故障頻率的特點判斷，電機自由端和驅(qū)動端兩處軸承并未發(fā)現(xiàn)軸承故障頻率，因此排除滾動軸承故障。

（2）動靜部件摩擦?xí)r，動靜接觸處相當(dāng)于轉(zhuǎn)子增加了一道或數(shù)道支撐，由于支撐處的剛度和阻尼不是常數(shù)，而與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度有關(guān)，轉(zhuǎn)子運動方程式為非線性方程，它的解將含有高次諧波和分?jǐn)?shù)諧波的成分。因此動靜部件摩擦可能是引起頻譜中出現(xiàn)復(fù)雜頻率成分，根據(jù)該泵組歷史頻譜數(shù)據(jù)的分析不難看出，垂直方向出現(xiàn)了較為豐富的諧波，同時摩擦理論研究和實驗表明，轉(zhuǎn)子與靜止部件的局部摩擦?xí)r會引起穩(wěn)定的分?jǐn)?shù)諧波，其頻率為轉(zhuǎn)速頻率的二分之一，如圖6（c）中的8.25 Hz 頻率。

（3）該泵組工頻為16.5 Hz，而14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率成分并非工頻的同步或次同步頻率，與工頻成分沒有線性關(guān)系，所以引起14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率成分的激振力為非線性激振力。非線性激振力主要與軸系支撐結(jié)構(gòu)和安裝質(zhì)量相關(guān)。由于該泵組軸系通過導(dǎo)向軸承進(jìn)行徑向限位，一旦出現(xiàn)偏差或摩擦，便會產(chǎn)生非線性激振力，從而產(chǎn)生非線性頻率。

（4）結(jié)合該泵組的特點，由于泵轉(zhuǎn)子與電機上部軸承位置距離很遠(yuǎn)，如果產(chǎn)生動靜摩擦，產(chǎn)生的振動傳遞至電機上部軸承處時振動值得到衰減，但同時又由于該泵組存在結(jié)構(gòu)共振的問題，使得摩擦引起的頻率得到放大。

綜上所述，懷疑軸系中導(dǎo)軸承出現(xiàn)摩擦，從而產(chǎn)生14.5 Hz、15.5 Hz 的振動頻率，該頻率接近泵組的固有頻率，從而引起泵組發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。

4 廠用水泵泵組電機振動高振動處理過程

4.1 解體檢查軸系摩擦情況

鑒于3.3 章節(jié)關(guān)于振動原因的分析，建議對該泵組進(jìn)行解體檢修，對泵導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，多處導(dǎo)軸承和軸套存在較為嚴(yán)重的摩擦，導(dǎo)軸承及軸套磨損情況分別如圖7、圖8 所示，部分導(dǎo)軸承磨損測量數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 泵組導(dǎo)軸承磨損數(shù)據(jù)Table 3 Data of the pump unit worn guide bearing

圖7 導(dǎo)軸承磨損情況圖Fig.7 The wear of the guide bearing

圖8 軸套磨損情況圖Fig.8 The wear of the shaft sleeve

4.2 更換導(dǎo)軸承后的振動情況

經(jīng)過更換軸承和軸套之后，重新啟機，對電機進(jìn)行了振動測量。電機自由端水平方向振動值為8.27 mm/s，電機自由端垂直方向振動值為7.29 mm/s，振動值超過7.1 mm/s，頻譜圖如圖9、圖10 所示。

圖9 電機水平方向振動頻譜Fig.9 The horizontal vibration spectrum of the motor

圖10 電機垂直方向振動頻譜Fig.10 The vertical vibration spectrum of the motor

顯而易見，更換導(dǎo)軸承及軸套之后，對比圖3、圖4，振動的頻率不再以15.5 Hz 的頻率為主，而是以工頻16.5 Hz 為主，同時也不存在14.5 Hz 的頻率成分。這也就說明，導(dǎo)軸承摩擦故障是14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率產(chǎn)生的原因，因此更換導(dǎo)軸承及軸套之后，振動頻譜中，14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率消失。

4.3 對泵組結(jié)構(gòu)共振的振動處理

在消除摩擦故障之后，對電機軸承處進(jìn)行錘擊試驗，時域響應(yīng)波形圖如圖11 所示，固有頻率如圖12 所示。

圖11 電機錘擊試驗波形圖Fig.11 The waveform of the motor hammering test

圖12 電機錘擊試驗固有頻率圖Fig.12 The natural frequency of the motor hammering test

由圖12 可知，電機固有頻率15.5 Hz 的頻率和轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 非常接近。同時通過電機支架螺栓扭矩調(diào)整試驗，如圖13 所示，按照一定組合通過調(diào)整①～⑧號螺栓，驗證了螺栓扭矩對振動有較為明確的影響。綜合考慮考慮該泵組存在為結(jié)構(gòu)共振[14-17]。

圖13 電機支架扭矩調(diào)整試驗圖Fig.13 The torque adjustment test of the motor support

根據(jù)本文1.2 章節(jié)論述，結(jié)構(gòu)共振泵組的振動處理可以主要通過改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，例如增加支撐提高剛度、增加阻尼降低固有頻率以及安裝調(diào)整，另一方面通過精細(xì)動平衡。鑒于現(xiàn)場實施的客觀條件以及其他因素影響的綜合考慮，決定通過精細(xì)動平衡進(jìn)行振動處理[18-20]。動平衡方案如圖14 所示，在電機頂部風(fēng)扇進(jìn)行平衡塊的調(diào)整，如圖15 所示。電機自由端水平方向和垂直方向振動值降為2.3 mm/s和3.6 mm/s，滿足4.5 mm/s 的振動限值。

圖14 電機動平衡方案Fig.14 The motor dynamic balance plan

圖15 電機配重位置圖Fig.15 The motor balance weight position

5 結(jié)論

通過對廠用水泵泵組振動高的處理，可以得到以下結(jié)論：

（1）立式長軸深井泵組的導(dǎo)軸承位置往往無法進(jìn)行振動測量，可以通過對上部電機振動信號進(jìn)行高分辨率頻譜分析，及早發(fā)現(xiàn)并識別導(dǎo)軸承故障信號。

（2）導(dǎo)軸承發(fā)生摩擦后，除了產(chǎn)生較為豐富的諧波和次諧波頻率外，還會產(chǎn)生其非線性激振力引起的非線性頻率。

（3）導(dǎo)軸承摩擦引起的非線性頻率成分會由于接近泵組結(jié)構(gòu)的固有頻率而被放大，同時由于結(jié)構(gòu)共振泵組振動的敏感性，摩擦產(chǎn)生的激振力很容易導(dǎo)致泵組振動超標(biāo)。