核電閥門電動頭減振方案設計與可行性評估

摘"要：某核電機組閥門電動頭振動較高，已出現多次電路板卡電容及電阻脫落問題，嚴重影響設備可靠性.通過數值仿真及振動測試結果分析，確定振動原因是前置泵產生的激勵載荷經管道傳遞至閥門處，閥門固有頻率與前置泵葉頻接近，導致共振.根據閥門振動原因、結構形式及現場空間，提出了減振方案，即在電動頭兩端增加動力吸振器，抑制閥門振動，最后對該減振方案進行了測量評估.結果表明，閥門振動降幅超過80%，為后續振動治理提供了參考.

關鍵詞：閥門電動頭；振動原因；減振設計；可行性評估

中圖分類號：TL353.1

文獻標志碼：A

0"引"言

核電站設備中的閥門雖然只是配件，但其作用卻不容忽視，閥門對核電站的正常與安全運行具有極為重要的作用.核電站內閥門的使用量大、面廣，幾乎電站的每一個系統都離不開閥門，以百萬千瓦級機組規模的壓水堆型核電站為例，閥門用量約30 000臺.雖然閥門的投資額占核電站總投資額的2%左右，但電站每年花費在閥門上的維修費用卻占維修總額的1/2以上，因此，閥門也必須引起核電行業足夠的重視^［1］.

閥門作為影響核電站安全性的重要部件，在核能利用領域中受到高度重視.默靜軼等^［2］研究了核電閥門氣液聯動執行機構電磁兼容特性.王彬等^［3］針對核電廠中除氧器液位控制閥存在的劇烈振動問題，借助CFD模擬對流體作用于控制閥內件的作用力進行了深入分析，最后從控制閥選型的角度探討了優化的解決方案.張銘刻^［4］針對方家山核電機組凝結水旁路調節閥振動過大的問題，通過運用阻塞流原理和計算現場參數，分析了引起該閥振動的根本原因，并針對性地提出了后續改進策略.張超^［5］研究了核級電動閘閥彎管液流系統流致振動噪聲特性，提出了3種相應的減振降噪結構優化方案，改善了閘板與閥體導向條磨損情況，實現了對液流系統振動噪聲的有效抑制.梁聰聰等^［6］分析了福清核電廠止回閥所在管線振動原因，并制定了相應的專項處理措施，最終徹底消除了管線及閥門振動，使系統達到了安全可靠運行狀態.Tabrizi等^［7］采用計算流體動力學方法研究了球閥內的空化現象.張桂英等^［8］研究了核電廠旁路閥的結構及在負荷時閥芯與閥體套筒的相對位置，分析了閥門螺栓斷裂原因，同時提出相應的改造方案.閥門電動頭作為閥門的重要組成部分，直接影響閥門的功能實現及其可靠性^［2］.本研究針對某核電廠機組閥門在運行狀態下振動較大，多次發生電動執行機構振動超標、電機振動磨損與電路板卡缺陷報警等嚴重問題，分析了閥門振動原因，設計減振改造方案，并通過現場安裝及測量，評估了減振方案的可行性，徹底解決了閥門電動頭異常振動問題，為提升核電閥門可靠性發揮了重要作用.

1"振動原因

該核電機組閥門位于低壓給水系統，所在管線上游連接除氧器，下游接入主給水泵前置泵，前置泵轉速為1 493 r/min，泵葉片數為7，低壓給水管道系統布置示意圖如圖1所示，閥門現場照片如圖2所示.

1.1"仿真計算分析

以仿真分析輔助振動測試的方法分析閥門振動原因及振動特性.根據閥門結構圖紙，應用有限元分析軟件ANSYS模擬計算閥門固有模態，其中閥體用殼單元、把手用梁單元模擬， X方向為軸向，Z向為垂向，Y方向為水平方向.計算結果顯示，閥門存在174 Hz的固有頻率，模態振型結果如圖3所示.由于閥門所在管線下游連接的主給水泵前置泵葉片通過頻率為174 Hz，可推斷前置泵為閥門的主要激勵源.閥門固有頻率與前置泵葉頻接近，產生結構共振，導致劇烈振動.

1.2"試驗測試分析

針對閥門振動問題，測試特定位置處的速度信號，分析振動原因.測點布置及方向示意圖如圖4所示，測試結果如圖5所示.閥門電動頭兩端振動最為劇烈，且垂直方向速度幅值最大.電動頭兩端3個方向速度頻譜圖如圖6和圖7所示，振動特性為100 Hz以下的寬頻振動，以及明顯的174 Hz線譜振動.

根據仿真計算及測量數據結果，該閥門電動頭振動大的主要原因是前置泵產生的激勵載荷經管道傳遞至閥門處，閥門的固有頻率與前置泵葉頻接近，致使閥門產生結構共振.

2"減振改造方案設計

閥門可視為多自由度的振動系統，其振動特性與質量、阻尼和剛度有關.振動控制同樣從這3方面考慮，閥門結構及質量已無法改變，可通過增加吸振器或阻尼器等方式，改變閥門結構剛度或管道阻尼，抑制閥門振動.

根據閥門結構形式及現場空間，本研究減振方案為在電動頭兩端增加動力吸振器，對表現較為明顯的振動線譜進行控制.吸振器利用反共振原理抑制電動頭振動，具有結構簡單、可靠性高、安裝方便及對現有布置影響小等優點.其參數設計基礎是定點理論，即利用頻率響應函數曲線上與阻尼無關的定點來設計動力吸振器^"［9-10］.產生振動的主系統一般可以忽略阻尼，在質量為M、剛度為K的主振動系統上附加質量為m、彈簧剛度為k、阻尼系數為c的動力吸振器，主振動系統與動力吸振器的位移分別用x₁和x₂表示，頻率分別用ω和Ω表示，主系統的運動方程為，

M₁+c₁+（K+k）x₁－c₂－kx₂=f=Fsinωt（1）

引入質量比μ=m/M、阻尼比ξ=c/（2mΩ_n）、主系統的靜變形x_st=F/K、強迫振動頻率比λ=ω/Ω_n、固有角頻率比γ=ω_n/Ω_n等參數，得到方程（1）的解為，

x₁x_st（ω）=（γ²－λ²）²+（2ξλ）²（1－λ²）（γ²－λ²）－μγ²γ²²+［1－（1+μ）λ²］²2ξλ²（2）

式（2）即為主系統的位移振幅比.動力吸振器的最優設計需滿足最優同調及最優阻尼條件.滿足最優同調條件的動力吸振器與主振動系統固有頻率比為，

ω_nΩ_n=11+μ（3）

滿足最優阻尼條件的動力吸振器與主振動系統的阻尼比^［12］為，

ξ=3μ8（1+μ）³（4）

同時滿足以上2個最優條件時的最大振幅比^［12］為，

x₁x_st｜_max=2+μμ（5）

利用吸振器的最優設計條件，求解得到如圖8所示不同質量比的振幅頻率曲線.對式（5）求導得到振幅比變化率與吸振器質量比關系曲線，更直觀地展現振幅比與吸振器質量的關系，如圖9所示.

結果表明，在μlt;0.05時，隨著吸振器質量的增加，減振能力顯著提高；而在μgt;0.2時，隨質量的增加，減振能力變化緩慢，從經濟性和閥門承受附加載荷的角度考慮，繼續通過增加吸振器質量提高其

減振性能并不可取.因此，動力吸振器最優質量比在0.05～0.2之間.閥門總質量為960 kg，吸振器質量比取0.05，電動頭兩端各加裝4個吸振器，每個質量為6 kg.

不同頻率比的振幅頻率曲線如圖10所示.當頻率比偏大時，吸振器對主系統頻率較小的共振峰抑制能力下降；當頻率比偏小時，吸振器對主系統頻率較大的共振峰抑制能力下降.因此，動力吸振器最優頻率為閥門控制頻率或略低于控制頻率，即吸振器的固有頻率設計為174 Hz.

本研究通過設計簡單的吸振裝置解決閥門振動問題，吸振裝置由吸振單元和管夾構成，如圖11所示.將多個吸振單元通過管夾集成安裝于閥門電動頭兩端，通過管夾上不同安裝方向的吸振單元固定基座，實現多方向振動控制.吸振單元主要由底板、螺柱和質量塊構成，底板和螺柱通過焊接連接，螺柱和質量塊通過螺紋連接，質量塊上下均通過螺母結構進行鎖緊.通過調節質量塊的上下位置，改變吸振器一階固有頻率，使之匹配主系統控制頻率.吸振裝置結構簡單，易于加工且頻率適用性廣.

3"可行性評估

3.1"仿真計算評估減振效果

應用ANSYS軟件，采用譜分析方法計算加吸振器對閥門電動頭振動響應的影響，評估吸振器減振效果.激勵載荷通過管道傳遞到閥門處，根據在閥門上游管道的測試結果，在閥門連接法蘭處加載，計算閥門電動頭兩端的速度響應，主要關注頻率為100～200 Hz.

閥門電動頭兩端加吸振器前后的響應對比結果如圖12所示.從結果可知，閥門垂向振動（Z方向）更大，水平方向（Y方向）除174 Hz外，還存在142 Hz線譜，與閥門上游測點的測試結果吻合.此外，增加吸振器顯著降低了閥門174 Hz線譜振動.

3.2"試驗測量評估減振效果

由于仿真計算對閥門及管道結構進行了一定的簡化處理，且未考慮阻尼影響，計算結果與實際結果存在一定偏差，因此，通過現場實測更為準確地評估吸振器減振效果.吸振器現場安裝及調試過程中，在線監測閥門電動頭兩端的振動信號，待各階段信號穩定后，記錄存儲振動信號.現場測點布置如圖13所示，改造前后的試驗測試結果如圖14所示.

通過實際測量可知，加吸振器后，閥門電動頭兩端174 Hz線譜對應的速度幅值顯著降低，降幅達到1個數量級.其中，電動頭上端174 Hz的速度幅值從37 mm/s降低至5.3 mm/s；電動頭下端174.5 Hz的速度幅值從41 mm/s降低至1.7 mm/s，減振效果非常明顯.

4"結"論

某核電機組閥門電動頭振動劇烈，主要表現為100 Hz以下的寬頻振動，以及明顯的174 Hz線譜振動.通過仿真計算及振動測試數據分析表明，閥門振動原因主要為前置泵致振動.針對振動原因、閥門結構形式及現場空間，本研究提出了減振改造方案，即在閥門電動頭兩端增加動力吸振器，對174 Hz線譜進行振動控制.綜合考慮閥門質量及控制頻率設計的吸振器結構形式是將多個吸振單元集成在管夾上，實現多方向振動控制，吸振單元由底板、螺柱和質量塊構成，通過調節質量塊的上下位置，改變吸振器一階固有頻率，使之匹配閥門控制頻率.最后對減振方案進行可行性評估，結果表明，增加吸振器可以有效降低閥門振動，降幅達到1個數量級，徹底解決了該閥門電動頭的異常振動問題，為提升核電閥門可靠性發揮了重要作用.

參考文獻：

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（實習編輯：羅"媛）

Design and Feasibility Evaluation of Vibration Reduction of Electric Actuator of Nuclear Power Valve

SUN Yue，LIU Tianyan，HAN Chao，LU Jun，ZHANG Kun

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610213，China）

Abstract：

The vibration of the valve actuator of nuclear power unit is high，which has led to the falling off of the capacitance and resistance of the circuit board for many times.This seriously affects the reliability of the equipment.Through numerical simulation and experimental testing analysis，the vibration cause found is that the excitation load generated by the front pump is transmitted to the valve through the pipeline，and the natural frequency of the valve is close to the blade frequency of the front pump，which results in resonance.According to the cause of vibration，structure form and site space，a- vibration reduction design is carried out for the valve： dynamic vibration absorbers are added at both ends of the valve electric actuator to suppress valve vibration.Finally，the vibration reduction scheme is measured and evaluated.The results show that the proportion of the vibration reduction of the valve is over 80%，which provides a reference for the follow-up vibration treatment.

Key words：

electric actuator of valve;cause of vibration;vibration reduction design;feasibility assessment