肖孝鋒，肖 建

（中核核電運行管理有限公司，浙江??海鹽??314300）

秦山二期反應(yīng)堆冷卻劑泵現(xiàn)場動平衡試驗

肖孝鋒，肖 建

（中核核電運行管理有限公司，浙江??海鹽??314300）

基于核電廠反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡稱主泵）的現(xiàn)場動平衡試驗原理，描述了秦山二期擴建工程3、4號機組主泵在調(diào)試過程中發(fā)生振動高的異常情況，利用泵組自帶振動監(jiān)測系統(tǒng)，通過頻譜分析和診斷，確定為不平衡故障，并采用現(xiàn)場動平衡法進(jìn)行處理，使主泵振動狀態(tài)達(dá)到良好水平的過程，為同類型主泵的動平衡處理提供了一定的借鑒經(jīng)驗。

反應(yīng)堆冷卻劑泵；動平衡；振動；頻譜

核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要功能是使冷卻劑循環(huán)流動，將一回路反應(yīng)堆堆芯中核裂變產(chǎn)生的熱量通過蒸汽發(fā)生器傳遞給二回路系統(tǒng)。反應(yīng)堆冷卻劑泵作為一回路的重要設(shè)備，是核電廠唯一的核一級泵，其設(shè)備狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響核電廠的安全和運行。

秦山二期擴建工程3、4號機組的主泵在調(diào)試運行初期，3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO均出現(xiàn)不同程度的軸振動高問題，在熱停堆狀態(tài)時主泵的軸振動位移最大值達(dá)到214?μm，經(jīng)現(xiàn)場測試及專家分析，通過動平衡法有效降低了主泵軸振動水平。文章對動平衡試驗的原理及現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行了描述。

1 振動監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 主泵簡介

秦山二期采用CNP600堆型，共4個機組，每個反應(yīng)堆有2臺主泵，均是由三菱重工制造的100D型立式單級離心泵[1]，帶有可控泄漏軸密封裝置，由6?kV三相感應(yīng)式電動機驅(qū)動。正常運行時在壓力15.5?MPa和溫度293?℃下工作，流量24?290?m3/h，揚程91?m。主泵泵體和電機通過剛性聯(lián)軸器進(jìn)行連接，在泵聯(lián)軸器位置裝有在線振動監(jiān)測系統(tǒng)及速度監(jiān)測系統(tǒng)。主泵轉(zhuǎn)動部件由水泵轉(zhuǎn)子和電機轉(zhuǎn)子組成，其中水泵轉(zhuǎn)子約2?413?kg，電機轉(zhuǎn)子約16?538?kg，水泵轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)子先單獨在動平衡機進(jìn)行了動平衡試驗，然后在出廠試驗時做軸振試驗，以保證主泵軸振動在可接受范圍內(nèi)，同時計算出各主泵動平衡試驗時的加重影響因子及相應(yīng)的相位滯后角，以利于今后的現(xiàn)場動平衡試驗。

1.2 振動監(jiān)測系統(tǒng)簡介

秦山二期每臺主泵配有一套反應(yīng)堆主泵振動監(jiān)測系統(tǒng)，3、4號機組采用的是德國Epro公司的MMS6000系統(tǒng)。每套包含2個速度傳感器、2個位移傳感器、1個鍵相傳感器以及現(xiàn)場轉(zhuǎn)接盒及其信號通道、信號處理系統(tǒng)等。

2個速度傳感器用以監(jiān)測電動機軸承的振動，互成90°安裝在電動機殼體下法蘭上，一只與主泵出口管嘴的方向平行，另一只與主泵出口管嘴的方向垂直。2個位移傳感器為非接觸式電渦流式傳感器，互成90°安裝在泵驅(qū)動軸聯(lián)軸節(jié)高度的托架上，安裝方向與速度傳感器的方向相反，在泵運轉(zhuǎn)的所有階段中，自動監(jiān)測泵聯(lián)軸器輪轂的靜態(tài)間隙和動態(tài)振動。位移傳感器輸出的直流電壓信號對應(yīng)于軸靜態(tài)位置，輸出的交流電壓信號對應(yīng)于軸的振動幅值。鍵相傳感器也是一個電渦流傳感器，其型號與位移傳感器相同，兩者可以互換，安裝在兩個位移傳感器中間，通過檢測泵輪轂中的鍵槽，提供泵轉(zhuǎn)速信號以及用于動平衡的相位信息。鍵相信號和振動信號通過現(xiàn)場轉(zhuǎn)接盒將信號傳至信號處理系統(tǒng)，處理卡件經(jīng)過處理后變成4～20?mA信號送主控或者用于現(xiàn)場頻譜分析儀測試，主控可實時監(jiān)測主泵的振動幅值，提供記錄或報警。振動監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示。

1.3 振動測量與分析

圖1 振動監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Layout of vibration monitoring system

秦山二期3、4號機組4臺主泵在調(diào)試運行期間，均利用在線振動監(jiān)測系統(tǒng)對振動進(jìn)行監(jiān)控，表1為4號機組1號主泵（4RCP001PO）在不同壓力和溫度下的振動情況[2]，從表1中可以看出，在不同環(huán)路溫度及壓力下的軸振動幅值有較大變化，這種變化主要由熱不平衡引起，而電機軸承振動幅值則變化不大。

由于在線監(jiān)測系統(tǒng)儀表僅提供振動幅值，無法提供振動頻譜，因此在進(jìn)行故障分析時需接入振動分析儀（DP1500便攜式測振儀）對主泵振動進(jìn)行頻譜分析。圖2為4RCP001PO在狀態(tài)4下的軸振動頻譜分析圖，從圖中可以看出造成軸振動的頻率主要為一倍頻分量25?Hz，占85%以上，由此推斷振動主要原因是由不平衡原因?qū)е?。監(jiān)測共發(fā)現(xiàn)有3臺主泵的振動水平較高，經(jīng)頻譜分析后均實施了動平衡試驗，有效解決了振動問題。

表1 4RCP001PO各狀態(tài)參數(shù)Table1 Parameters on different condition of 4RCP001PO

圖2 4RCP001PO軸振動頻譜Fig.2 Shaft vibration spectrum of 4RCP001PO

2 動平衡試驗原理

2.1 不平衡概述

如果轉(zhuǎn)子剛體是均勻?qū)ΨQ的，繞對稱中心軸轉(zhuǎn)動，則各點離心力相互抵消。由于轉(zhuǎn)子本身組織不均勻或是加工誤差、裝配等造成質(zhì)量偏心等都會引起旋轉(zhuǎn)軸線的偏移，從而導(dǎo)致不平衡。例如一個薄圓盤，若是質(zhì)量分布不均，不能相互抵消平衡，就可以產(chǎn)生不平衡力，總效果是相當(dāng)于某一個方向上多出一個當(dāng)量的不平衡質(zhì)量。對于長軸物體，如水泵轉(zhuǎn)子可看成多個不平衡圓盤的組合，不平衡質(zhì)量的分布呈空間曲線形式。

2.2 動平衡原理

轉(zhuǎn)子因質(zhì)量不平衡引起的離心力[3]，總是可以分解為作用在兩個已知平面上的兩個力（見圖3）。設(shè)想將某一截面mn分作兩部分，它可能產(chǎn)生下列3種不平衡情況：①兩部分的重心C1、C2處在同一軸向水平切面內(nèi)，并在轉(zhuǎn)軸同一側(cè)（見圖3b），這種情況為靜不平衡；②兩部分的重心C1、C2處在同一軸向水平切面內(nèi)，但在軸線兩側(cè)（見圖3c）。這時，轉(zhuǎn)子靜力是平衡的，但轉(zhuǎn)動時，C1、C2組成一個力偶，這種情況為動不平衡。即不平衡力只有在轉(zhuǎn)動時才呈現(xiàn)出來；③一般情況下，重心C1和C2可能在兩個不同的縱向切面內(nèi)（見圖3d）。轉(zhuǎn)動時，一個由離心力G1和G2所組成的力系將作用在物體上，這個力系可分解為一個力偶和一個徑向的力，也即動、靜都不平衡。

動平衡的目的是平衡不平衡力和力矩，由于轉(zhuǎn)子上的平衡是分布式的，在轉(zhuǎn)子上存在多個不平衡力，可以分別向任選的兩個面簡化，這兩個面即通常我們所說的校正面。通常不平衡量可以由矢量來表示，符號為U，單位通常為g·mm。如圖4所示，轉(zhuǎn)子不平衡量在兩個校正面上分別為U1和U2。根據(jù)上述轉(zhuǎn)化，只需要在兩個校正面上加上兩個校正量，來平衡不平衡量和，就可實現(xiàn)平衡。即：W1＋U1＝0，W2＋U2＝0。

圖3 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡狀態(tài)Fig.3 Mass imbalance state of rotor

圖4 轉(zhuǎn)子不平衡量的簡化圖Fig. 4 Brief drawing of rotor imbalance quantity

3 秦山二期3、4號機組主泵動平衡試驗

3.1 試驗工況

動平衡試驗的工況應(yīng)當(dāng)最接近主泵的正常運行工況，因此一般在熱停堆工況下進(jìn)行。從前面1.3節(jié)分析可知，主泵不平衡雖然主要原因是由質(zhì)量不平衡引起，但還有很大一部分原因是熱不平衡，這是導(dǎo)致在不同工況下振動不同的主要原因。

3.2 試驗限制參數(shù)

為保證動平衡試驗順利進(jìn)行，且不對主泵軸承振動帶來大的影響，根據(jù)主泵運行維修手冊，須對一些試驗參數(shù)進(jìn)行限制。

1)?如果動平衡試驗時主泵軸振動超過250?μm，則報警；超過381?μm時必須立即緊急停泵。

2)?如果動平衡試驗時電機軸承振動超過50?μm，則報警；超過76?μm時必須立即緊急停泵。

3)?如果主泵電機軸承振動在50?μm且振動增加速度達(dá)10?μm/h，軸振動在250?μm以上且大軸振動增加速度超過25?μm/h，立即緊急停泵。

4)?主泵電機（6?000?V高壓）說明書規(guī)定在連續(xù)啟動時，如果電機是全速運行，兩次啟動之間至少間隔20?min，如果電機是靜止的則至少間隔45?min，在2?h內(nèi)啟動不能超過3次，如果在2?h內(nèi)試行啟動了3次或3次啟動以后，必須讓電機運轉(zhuǎn)60?min或者靜止135?min使其冷卻。

3.3 試驗過程

1)?首先測量主泵原始振動，設(shè)為A0。根據(jù)原始振動計算不平衡質(zhì)量及方位。首次加重可以根據(jù)經(jīng)驗公式?P=KAWg/Rω2選取，式中，K為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般取0.002～0.004；A為振動雙振幅，μm；W為轉(zhuǎn)子重量，kg；g為重力加速度，g=9.8?m/s2；R為加重半徑，m；ω為角速度，ω=2πf，f為工作頻率。根據(jù)經(jīng)驗，一般主泵動平衡采用單平面動平衡試驗方式，加重面選擇在泵端聯(lián)軸器，可取試加重量400～800g，取試加重為M0。

2)?測量試加重后的振動，設(shè)為A1，可以算出在轉(zhuǎn)子試加重M0所產(chǎn)生的振動矢量AM=A1-A0，因此影響因子φ為：φ=AM/M0（A1-A0）/M0。

3)?根據(jù)影響因子，計算修正重量M1，M1=M0/φ，停泵加修正重量M1。

4)?重新啟泵至試驗工況，測量振動數(shù)據(jù)，若振動狀態(tài)良好則停止試驗，否則重新計算修正重量，重復(fù)步驟3）。

3.4 試驗結(jié)果

秦山二期3、4號機組主泵在工廠性能試驗時就已進(jìn)行過動平衡試驗，并把在工廠試驗工況下的聯(lián)軸器螺栓處的加重影響因子記錄在完工報告中，為了減少現(xiàn)場動平衡試驗主泵啟停次數(shù)，提高一次性成功率，可根據(jù)完工報告中的加重影響因子來計算現(xiàn)場首次加重。

3、4號機組在初次運行時有3臺主泵（3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO）的振動水平較高，根據(jù)上述加重影響因子，對3臺主泵進(jìn)行了動平衡試驗，經(jīng)過一次試驗加重后均達(dá)到理想振動狀態(tài)。

4 經(jīng)驗總結(jié)與建議

1)?平衡手段不是解決振動的唯一方法[4]，只有在認(rèn)真分析振動原因，確定是由不平衡故障引起時（經(jīng)驗上一倍頻要占總振動值的85%以上）才可以對設(shè)備實施動平衡。

2)?影響主泵振動的原因主要有流量、溫度、壓力等因素，因此設(shè)備試驗工況應(yīng)盡量接近正常運行工況，此外對于主泵，軸封水流量對泵本身振動情況也有較大影響，在進(jìn)行動平衡試驗時，應(yīng)盡量使每次的軸封水流量基本相同，且與正常運行時的流量一致。

3)?引起主泵振動的原因很多，特別是熱變量對動平衡的影響較大，當(dāng)一倍頻分量中包含較大的熱變量時，泵啟動至狀態(tài)穩(wěn)定需較長的時間，振動數(shù)據(jù)采集應(yīng)在泵的狀態(tài)穩(wěn)定后（包括軸封水流量和軸承溫度）方可進(jìn)行。建議每隔一段時間記錄一組數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗一般在試驗工況穩(wěn)定運行半小時后振動幅值和相位趨于穩(wěn)定。

4)?若計算出平衡質(zhì)量過大時，應(yīng)考慮將矢量分解。一個螺栓上的配重量不宜超過1?500?g。當(dāng)主泵聯(lián)軸器平衡面上已有較多平衡塊時，應(yīng)綜合考慮原有的平衡塊，盡可能減少平衡面的配重，若難以實施，可選擇慣性飛輪作平衡面。

5)?在進(jìn)行主泵動平衡試驗時，應(yīng)充分利用歷史數(shù)據(jù)。如上述3臺主泵現(xiàn)場動平衡試驗均根據(jù)完工報告中的加重影響因子來進(jìn)行計算，較精確的計算出設(shè)備首次加重，提高了一次性成功率，有利于減少啟停泵次數(shù)，因此泵組出廠前的性能試驗對現(xiàn)場運行有極其重要的意義。

6)?建議在振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件中增加頻譜分析模塊，有利于實時監(jiān)測主泵的振動狀態(tài)，且在現(xiàn)場動平衡時不必臨時接入頻譜分析儀。

5 結(jié)束語

秦山二期3、4號機組在調(diào)試運行期間共有3臺主泵進(jìn)行了現(xiàn)場動平衡試驗，雖然這些試驗過程主要由生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)，但是經(jīng)過1、2號機組多年的試驗研究，秦山二期核電站的技術(shù)人員已經(jīng)可以自力更生，獨立自主的解決主泵振動問題，掌握了主泵故障原因分析及后續(xù)處理的相關(guān)技術(shù)，為各機組商運后主泵的安全穩(wěn)定運行奠定了堅實的基礎(chǔ)，也為同類型主泵的振動動平衡處理提供了一定的借鑒經(jīng)驗。

[1]?MHI.?秦山二期擴建工程主泵完工報告[R]，2009．(MHI.?Completion?Report?on?the?Primary?Pump?of?Qinshan?II?Expansion?Project[R],?2009.）

[2]?MHI.?秦山二期擴建工程3、4號機組主泵振動測量報告[R]，2011．（MHI.?Report?on?Primary?Pump?Vibration?Measurement?for?Unit?3?&?4?of?Qinshan?II?Expansion?Project[R],?2011.）

[3]?呂群賢．反應(yīng)堆主泵現(xiàn)場動平衡[J]．核動力工程，2002，23（3）：63-68．（LV?Qun-xian.?On-site?Dynamic?Balance?of?Reactor?Coolant?Pump[J].?Nuclear?Power?Engineering,?2002,?23(3):63-68.）

[4]?趙振宇.?嶺澳核電站主泵動平衡[J]．中國設(shè)備工程，2011，04：32-34.（ZHAO?Zhen-yu.?Dynamic?Balance?of?the?Primary?Pump?in?Ling?Ao?NPP[J].?China?Equipment?Engineering,?2011,?04:32-34.）

Dynamic Balancing Test on the Site of Reactor Coolant Pump in Qinshan II

XIAO?Xiao-feng，XIAO?Jian
(CNNC?Nuclear?Power?Operations?Management?Co.，Ltd.，Haiyan?of?Zhejiang?Prov.?314300，China)

Based?on?the?principle?of?dynamic?balancing?of?reactor?coolant?pump,?the?paper?describes?that?when?the?high?vibration?status?occurred?for?the?reactor?coolant?pump,?vibration?spectrum?is?used?to?diagnose?the?unbalance?fault?via?the?vibration?monitoring?system,?dynamic?balancing?process?on?site?has?been?performed?to?reduce?the?reactor?coolant?pump?vibration?in?a?normal?level?during?the?commissioning?operation?of?Qinshan?II?Unit?3?&?4,?and?the?disposing?experience?is?useful?for?the?dynamic?balancing?of?reactor?coolant?pump?of?the?same?type.

reactor?coolant?pump;?dynamic?balancing;?vibration;?spectrum

TL37??Article character：A??Article ID：1674-1617(2014)02-0145-05

TL37

A

1674-1617(2014)02-0145-05

2013-12-05

肖孝鋒（1981—），男，湖南衡山人，工程師，碩士，主要從事核電設(shè)備采購與管理工作。