基于頻譜分析的某核電廠設(shè)備冷卻水泵振動(dòng)高的治理

朱鈴峰

（三門(mén)核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317112）

0 引言

某核電廠設(shè)備冷卻水系統(tǒng)是一個(gè)閉式回路的冷卻水換熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電廠正常運(yùn)行各個(gè)階段將核島和常規(guī)島設(shè)備運(yùn)行發(fā)熱、堆芯衰變熱、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的顯熱傳遞給廠用水系統(tǒng)并最終將熱量傳遞給海水[1]。其中設(shè)備冷卻水泵在提供介質(zhì)間換熱動(dòng)力、維持系統(tǒng)介質(zhì)穩(wěn)定運(yùn)行等方面起到了重要作用[2]。該核電廠設(shè)備冷卻水泵采用臥式單級(jí)雙吸離心泵，設(shè)計(jì)流量為3 000 m3/h，額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min（24.75 r/s）[3]。在電站功率運(yùn)行階段，某次定期試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)泵體驅(qū)動(dòng)端垂直方向存在異常高頻振動(dòng)，經(jīng)手持式測(cè)振儀測(cè)量最大振動(dòng)數(shù)值在8～10 mm/s波動(dòng)，而利用頻譜儀測(cè)量振動(dòng)值波動(dòng)范圍很大，其中最大值達(dá)到了21 mm/s左右，泵自由端垂直方向振動(dòng)為5.0 mm/s，其余方向振動(dòng)處于合格范圍內(nèi)（小于3.6 mm/s）。

導(dǎo)致離心泵振動(dòng)異常的原因有很多種，如轉(zhuǎn)子動(dòng)靜不平衡、軸系不對(duì)中、結(jié)構(gòu)共振、軸承破損等問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]指出轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)和故障診斷也有多種方法，如基于振動(dòng)頻譜分析、基于潤(rùn)滑油的光譜和鐵譜分析、基于噪聲分析等。本文結(jié)合該核電廠實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)條件采取基于測(cè)量的振動(dòng)頻譜圖分析的方法，探查了該設(shè)備冷卻水泵振動(dòng)高缺陷產(chǎn)生的原因，并根據(jù)可能的原因?qū)Ρ眠M(jìn)行了解體檢修、原因排查及振動(dòng)治理。

1 振動(dòng)高原因分析及解體治理

因泵驅(qū)動(dòng)端垂直方向（P1V）振動(dòng)異常，分析該測(cè)點(diǎn)頻譜圖如圖1和圖2所示，存在1倍頻（轉(zhuǎn)頻）、2倍頻、6倍頻（葉片通過(guò)頻率）和高倍頻，其中1倍頻（轉(zhuǎn)頻）、6倍頻（葉片通過(guò)頻率）和高倍頻占主要成分。

圖2 治理前振動(dòng)頻譜圖（高頻）

1.1 對(duì)于高倍頻的治理

由圖2可知出現(xiàn)了頻率為759Hz、大小約為1.5 mm/s的高倍頻，高倍頻的出現(xiàn)一般和軸承的問(wèn)題有關(guān)，且現(xiàn)場(chǎng)查看時(shí)驅(qū)動(dòng)端軸承運(yùn)行時(shí)有異音。解體檢查后發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端軸承外圈內(nèi)側(cè)存在缺陷如圖3所示：在驅(qū)動(dòng)端軸承外圈底部，可見(jiàn)明顯磨痕，每個(gè)磨痕相互獨(dú)立，無(wú)明顯的沿圓周方向的磨損痕跡，磨痕區(qū)域總寬度約占整個(gè)軸承圓周的1/4，軸承上部無(wú)明顯凹痕。從痕跡分析，軸承可能出現(xiàn)了微動(dòng)磨損。更換新軸承后高頻振動(dòng)由原先的1.5 mm/s降低為0.1 mm/s。

圖3 舊軸承圖片

1.2 對(duì)于1倍頻的治理

1倍頻（轉(zhuǎn)頻）激振多為轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡力引起的，對(duì)拆卸下的轉(zhuǎn)子加上聯(lián)軸器進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)葉輪兩面的動(dòng)不平衡量都超過(guò)了200 g，而利用如下公式計(jì)算得到該轉(zhuǎn)子的許用不平衡量為7.5 g。

式中：e為偏心距；G為平衡精度；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；T為最大許用不平衡量；W為角速度；R為校正半徑。

針對(duì)動(dòng)平衡機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)角度的葉片打磨去重等轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡治理工作后，轉(zhuǎn)子兩個(gè)去重面的許用不平衡量如圖4所示都不超過(guò)7.5 g，泵解體后試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)1倍頻如圖5所示從原先的1.9 mm/s降到了0.1 mm/s。

圖4 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡治理前后對(duì)比

圖5 解體檢修運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)頻譜圖

1.3 對(duì)于6倍頻的治理

6倍頻激振力為介質(zhì)通過(guò)葉輪時(shí)產(chǎn)生的沖擊力（振動(dòng)頻率=工作頻率×葉片個(gè)數(shù)）。就振動(dòng)性質(zhì)而言，屬于流道突變導(dǎo)致介質(zhì)壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生流體激振，該激振力與流體參數(shù)（流量、壓力和溫度）、流道（蝸室流道、葉輪與隔舌間隙）、葉片形式和數(shù)量息息相關(guān)。就設(shè)備冷卻水泵而言，一般通過(guò)更換葉輪或加強(qiáng)泵基座剛度等手段來(lái)解決。在泵的解體檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)泵兩側(cè)軸承箱的定位銷(xiāo)一端是松動(dòng)的，導(dǎo)致軸承箱剛度不足，完全敲入定位銷(xiāo)后轉(zhuǎn)子與泵蓋之間有剮蹭，無(wú)法用手進(jìn)行盤(pán)動(dòng)。對(duì)兩側(cè)軸承箱重新定位且重新鉸孔打入新的軸承箱定位銷(xiāo)后，解體檢修前6倍頻（葉片轉(zhuǎn)動(dòng)頻率）2.4 mm/s的振動(dòng)降低到了修后的1.9 mm/s。但由于沒(méi)有整體上增加軸承室的剛度，后續(xù)連續(xù)運(yùn)行時(shí)測(cè)量的振動(dòng)值如圖5所示又緩慢上漲到2.4 mm/s左右，該頻率的振動(dòng)沒(méi)有得到很好的治理。

2 振動(dòng)根本原因分析及后續(xù)建議

2.1 振動(dòng)根本原因分析

該型設(shè)備冷卻水泵在定期試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)高的根本原因?yàn)轵?qū)動(dòng)端軸承微動(dòng)磨損[5]。該臺(tái)設(shè)備冷卻水泵由于長(zhǎng)期置于備用狀態(tài)，日常期間只做定期試驗(yàn)，軸承外圈的下半部分承受了整個(gè)轉(zhuǎn)子全部約240 kg左右的質(zhì)量，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)該臺(tái)設(shè)備冷卻水泵驅(qū)動(dòng)端距離另一臺(tái)泵較近，另一臺(tái)設(shè)備冷卻水泵在長(zhǎng)時(shí)段的運(yùn)行期間對(duì)該臺(tái)泵產(chǎn)生了振動(dòng)影響，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驅(qū)動(dòng)端附近樓板振動(dòng)數(shù)值為1.6 mm/s左右，使得該臺(tái)泵的轉(zhuǎn)子和軸承室等靜止部件產(chǎn)生了一個(gè)輕微的上下運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間微量的上下運(yùn)動(dòng)最終導(dǎo)致軸承外圈下半部分損傷。

2.2 后續(xù)的治理建議

由于目前兩臺(tái)泵之間互相影響的微動(dòng)磨損并未消除，為減小該磨損對(duì)兩臺(tái)泵軸承的運(yùn)行影響，綜合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，可以采取以下較為有效且實(shí)施可能性高的減緩措施：

1）改變現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)泵的運(yùn)行方式：從一臺(tái)長(zhǎng)期備用改為兩臺(tái)定期切換運(yùn)行[6]，切換的頻率即單臺(tái)運(yùn)行的時(shí)間需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來(lái)不斷摸索確定。

2）現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)挖出隔振溝或整體增加基礎(chǔ)剛度來(lái)減小運(yùn)行列傳遞到備用設(shè)備的振動(dòng)。

3）在該臺(tái)設(shè)備冷卻水泵兩端的軸承箱部位增加調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper），該技術(shù)是一種被動(dòng)的振動(dòng)控制技術(shù)，減振效果明顯，施工簡(jiǎn)單，目前主要應(yīng)用在高層建筑、大型橋梁、海洋平臺(tái)等工程領(lǐng)域[7]。它是主要由質(zhì)量塊、阻尼器和彈簧組成的裝置，原理為將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器作為子系統(tǒng)安裝在主結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為明顯的部分，通過(guò)子系統(tǒng)的被動(dòng)諧振將主結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移到作為子系統(tǒng)的阻尼器上，之后由阻尼器上的阻尼材料來(lái)耗散整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)能量，進(jìn)而達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。其實(shí)施的粗略過(guò)程如下：首先需要采集現(xiàn)場(chǎng)各相關(guān)部位的振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，再通過(guò)有限元法進(jìn)行模態(tài)分析和仿真，根據(jù)分析和仿真結(jié)果設(shè)計(jì)和制造調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，最后安裝至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精調(diào)，最終達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。該技術(shù)目前在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用案例較少，故需要不斷試驗(yàn)，才能達(dá)到預(yù)期的減振效果。

現(xiàn)場(chǎng)解體檢修后泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)，最大振動(dòng)頻率為6倍頻（葉片的通過(guò)頻率），為進(jìn)一步降低該類(lèi)型振動(dòng)，采取以下減緩措施：

1）通過(guò)不斷調(diào)整系統(tǒng)流量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵的運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)確定在符合流量要求下泵運(yùn)行階段的最低振動(dòng)。

2）在下次解體檢修時(shí)通過(guò)更換葉輪、增加支撐來(lái)增加軸承箱剛度，改變振動(dòng)幅值，但支撐的具體形式和位置需要不斷試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析某電廠設(shè)備冷卻水泵振動(dòng)高的頻譜圖，得出可能產(chǎn)生振動(dòng)的原因，針對(duì)可能的原因進(jìn)行了設(shè)備冷卻水泵的解體檢修，通過(guò)更換軸承、調(diào)整轉(zhuǎn)子定位、葉輪不平衡量的處理等方法，消除了泵運(yùn)行時(shí)的高倍頻和1倍頻，降低了泵的葉片通過(guò)頻率。根據(jù)檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)一步分析產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因，并結(jié)合后續(xù)連續(xù)運(yùn)行時(shí)測(cè)得的振動(dòng)頻譜圖給出了調(diào)整運(yùn)行方式、更換葉輪、增加基礎(chǔ)剛度、安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等進(jìn)一步降低泵組振動(dòng)的可行策略，為以后相同類(lèi)型泵的振動(dòng)缺陷治理提供了參考范本和治理手段。