柯 嘯

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核電站立式泵-電機(jī)振動(dòng)高設(shè)計(jì)改進(jìn)

柯 嘯

（中廣核陽(yáng)江核電有限公司，廣東陽(yáng)江 529500）

陽(yáng)江核電站1號(hào)機(jī)組低壓安注泵/安全殼噴淋泵電機(jī)在調(diào)試期間，4臺(tái)電機(jī)均出現(xiàn)不同程度振動(dòng)超標(biāo)情況，為解決該型號(hào)電機(jī)振動(dòng)的共性問(wèn)題，電廠(chǎng)采用根本原因分析法對(duì)電機(jī)振動(dòng)原因進(jìn)行逐項(xiàng)分析。通過(guò)增強(qiáng)電機(jī)強(qiáng)度、改變電機(jī)定轉(zhuǎn)子間隙、更換軸承配合形式等方法并結(jié)合頻譜分析，最終解決了電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。通過(guò)根本原因分析法及試驗(yàn)，解決了該型號(hào)電機(jī)設(shè)計(jì)中電機(jī)支撐板剛度不足、軸承選型搭配不合理、轉(zhuǎn)子共振等問(wèn)題，為后續(xù)同型號(hào)電機(jī)生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。本文主要介紹了針對(duì)電機(jī)振動(dòng)高的處理過(guò)程與結(jié)果，對(duì)該類(lèi)型電機(jī)振動(dòng)的原因進(jìn)行了深入分析。

核電站；泵-電機(jī)；振動(dòng)；根本原因分析法

低壓安注和安全殼噴淋（RIS/EAS）系統(tǒng)是核電站反應(yīng)堆重要的專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施，低壓安注泵和噴淋泵組是RIS/EAS系統(tǒng)的重要組成部分。陽(yáng)江核電站1號(hào)機(jī)組的低壓安注泵和安全殼噴淋泵組是CPR1000核電機(jī)組首次進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代的設(shè)備，該類(lèi)型電機(jī)在1號(hào)機(jī)組調(diào)試期間頻繁出現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。本文主要介紹了針對(duì)電機(jī)振動(dòng)高的處理過(guò)程與結(jié)果，對(duì)該類(lèi)型電機(jī)振動(dòng)的原因進(jìn)行了深入分析，通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決了該型號(hào)電機(jī)振動(dòng)的共性問(wèn)題，提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定性。

1 電機(jī)振動(dòng)故障現(xiàn)象

陽(yáng)江核電RIS/EAS電機(jī)屬同類(lèi)型設(shè)備。在1號(hào)機(jī)調(diào)試期間4臺(tái)電機(jī)空載試驗(yàn)非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)均出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，最大振動(dòng)值達(dá)11.5mm/s（振動(dòng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)≤2.8mm/s），并伴隨有明顯的“嗡嗡”異響。

現(xiàn)場(chǎng)主要異常情況如下：

1）冷態(tài)不振，熱態(tài)振。電機(jī)運(yùn)行初期振動(dòng)良好，運(yùn)行一段時(shí)間后，電機(jī)振動(dòng)加劇，逐漸上升并超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。

2）鐵地不振，工裝振。電機(jī)在制造廠(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，在鐵地空載試驗(yàn)結(jié)果合格，但運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行空載時(shí)振動(dòng)超標(biāo)。

3）負(fù)載不振，空載振。電機(jī)在帶泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況下振動(dòng)良好，但電機(jī)空載期間振動(dòng)異常。

2 故障原因分析

根據(jù)電機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)初步分析：

1）冷態(tài)不振，熱態(tài)振。在電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，軸伸端軸承可能存在潤(rùn)滑不足，導(dǎo)致軸承滾子與滑道相對(duì)滑動(dòng)，引起電機(jī)振動(dòng)。

2）鐵地不振，工裝振。原電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)支撐下的電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可能某一頻率的擾力與模擬試驗(yàn)工裝固有頻率接近，引起共振，導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)。

3）負(fù)載不振，空載振。根據(jù)立式電機(jī)轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，空載下轉(zhuǎn)子處于自由懸浮狀態(tài)，沒(méi)有足夠的預(yù)加載荷，導(dǎo)致電機(jī)自激振動(dòng)。

對(duì)造成電機(jī)振動(dòng)的原因采用根本原因分析 法[1]進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。

表1 故障原因分析表

（續(xù)）

可能的故障模式支持的證據(jù)反對(duì)的證據(jù)可能性 油脂不足加油時(shí)電機(jī)振動(dòng)有所減?、贊?rùn)滑油增多導(dǎo)致軸承溫度升高，從而油膜更容易形成；②現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑油非常充足時(shí)振動(dòng)仍較高。低 油脂過(guò)量油脂加注較多，軸承溫度有所升高，但緩慢平穩(wěn)下降軸承油脂補(bǔ)充至集油盒內(nèi)有油脂排出時(shí)停止低 共振 轉(zhuǎn)子共振無(wú)電機(jī)轉(zhuǎn)子是剛性轉(zhuǎn)子，工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于其一階臨界轉(zhuǎn)速低 轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體共振①現(xiàn)場(chǎng)使用敲擊法測(cè)量電機(jī)下機(jī)架處固有頻率約在23～28Hz，與轉(zhuǎn)頻比較接近；②廠(chǎng)家模擬工裝頻譜測(cè)試數(shù)據(jù)最大振動(dòng)值出現(xiàn)在工頻52Hz接近2倍轉(zhuǎn)頻。無(wú)高

3 改造過(guò)程

針對(duì)電機(jī)振動(dòng)根本原因分析法中可能性較高的幾項(xiàng)原因，現(xiàn)場(chǎng)逐一進(jìn)行了試驗(yàn)改進(jìn)。

基礎(chǔ)剛度改進(jìn)：電機(jī)支撐板剛度不足及連接剛度低。主要改進(jìn)項(xiàng)目是：①電機(jī)定子機(jī)座；②機(jī)座與法蘭端蓋一體設(shè)計(jì)；③電機(jī)支撐板增加加強(qiáng)筋[2]；④增大電機(jī)底板連接螺栓力矩值。

3.1 基礎(chǔ)剛度改造情況

1）電機(jī)支撐板增加環(huán)形加強(qiáng)筋，以改變系統(tǒng)剛度（如圖1和圖2所示）

（a）改進(jìn)前的支撐板

（b）改進(jìn)后的支撐板（圖中圈內(nèi)改進(jìn)后環(huán)形加強(qiáng)筋）

圖1 支撐板改造前后

2）電機(jī)機(jī)座增加加強(qiáng)筋

改造后試驗(yàn)情況：空載振動(dòng)超標(biāo)，負(fù)載振動(dòng)3臺(tái)合格，1臺(tái)振動(dòng)3.9mm/s。

3）增大電機(jī)支撐板與基礎(chǔ)連接力矩

電機(jī)安裝法蘭M27螺栓緊固力矩由80N·m改為500N·m，基礎(chǔ)底架與基礎(chǔ)底板安裝處M45螺栓緊固力矩由256N·m改為616N·m，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，螺栓力矩增大后電機(jī)振動(dòng)值減小[3]。

3.2 軸承選型搭配不合理及共振問(wèn)題改進(jìn)

從前一階段改進(jìn)電機(jī)“冷態(tài)不振，熱態(tài)振；鐵地不振，工裝振；負(fù)載不振，空載振”的振動(dòng)特點(diǎn)分析，認(rèn)為導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)的根本原因是：電機(jī)軸承選型不合理，結(jié)構(gòu)上抗擾能力差。最終確定將驅(qū)動(dòng)端軸承由圓柱滾子軸承NU224改為深溝球軸承6224，將法蘭端蓋止口尺寸由1000調(diào)整為900。定轉(zhuǎn)子氣隙由1.8mm改為2.3mm。

1）改進(jìn)軸承選型搭配

原設(shè)計(jì)采用驅(qū)動(dòng)端圓柱滾子軸承，非驅(qū)動(dòng)端深溝球軸承的配對(duì)形式。該配對(duì)選型在立式電機(jī)上使用的案例較少，這樣定位的轉(zhuǎn)子在立式運(yùn)轉(zhuǎn)中有鐘擺式轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，不利于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行。從帶載（軸系增加了約束）情況下振動(dòng)很好可以得到驗(yàn)證，改進(jìn)后兩端采用深溝球軸承，很好地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的徑向約束，有利于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

電機(jī)伸端分別采用圓柱滾子軸承和深溝球軸承頻譜測(cè)試，當(dāng)電機(jī)工作頻率為25Hz時(shí)，采用圓柱滾子軸承比采用深溝球軸承振動(dòng)值大[4]。

2）將電機(jī)法蘭端蓋止口尺寸由1000mm調(diào)整為900mm

從電機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)和頻譜分析看出，電機(jī)振動(dòng)頻率接近電機(jī)固有頻率，從改變系統(tǒng)固有頻率著手。將接口法蘭止口尺寸由1000mm改為900mm，在模擬工裝上分別進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。分析發(fā)現(xiàn)1000mm時(shí)，最大振動(dòng)值出現(xiàn)在工頻52Hz即轉(zhuǎn)頻26Hz；900mm時(shí)，最大振動(dòng)值出現(xiàn)在工頻43Hz即轉(zhuǎn)頻21.5Hz。試驗(yàn)結(jié)果表明支撐系統(tǒng)最大振動(dòng)值出現(xiàn)的工頻由52Hz改變?yōu)?3Hz，有效避開(kāi)了電機(jī)的轉(zhuǎn)子工作頻率（24.75Hz），且振動(dòng)速度值由9.2mm/s下降到1.3mm/s。

3)電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙改進(jìn)：將電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙值由1.8mm改為2.3mm，減少電磁擾力[5,7]

首次起動(dòng)空載試驗(yàn)電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，電機(jī)返廠(chǎng)解體檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子中部和非驅(qū)動(dòng)端一側(cè)的硅鋼片發(fā)現(xiàn)整圈劃痕。檢查定子上并無(wú)相應(yīng)劃痕，擴(kuò)大氣隙有利于減少電磁擾力，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性[6]。

4 改造后驗(yàn)證

1）軸承壽命計(jì)算

SKF公司對(duì)換型后軸承計(jì)算，結(jié)果軸承壽命大于10萬(wàn)h，滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

2）抗震分析結(jié)果

對(duì)安注泵、噴淋泵電機(jī)進(jìn)行抗震分析計(jì)算，結(jié)果滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

3）頻譜測(cè)試

改進(jìn)后將電機(jī)安裝在基礎(chǔ)底架與基礎(chǔ)底板上，進(jìn)行頻譜測(cè)試，系統(tǒng)特征頻率為22Hz，遠(yuǎn)離電機(jī)軸頻為25Hz，避開(kāi)共振頻率。

4）電機(jī)試驗(yàn)情況

改進(jìn)后根據(jù)試驗(yàn)大綱，完成了各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目，電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

安注泵-電機(jī)性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 安注泵-電機(jī)性能參數(shù)對(duì)比

（續(xù)）

性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值改進(jìn)前（試驗(yàn)值）改進(jìn)后（試驗(yàn)值） 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩/（N·m）0.801.151.00 最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩/（N·m）2.002.242.65 振動(dòng)/（mm/s）≤2.300.900.40 噪聲/dB(A)≤85.0076.2074.40

表3 噴淋泵-電機(jī)性能參數(shù)對(duì)比

5）泵組試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)泵機(jī)進(jìn)行小流量及全流量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格見(jiàn)表4。

表4 泵組試驗(yàn)驗(yàn)證

5 結(jié)論

本文針對(duì)核電站安注/安噴立式電機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)，采用根本原因分析法，逐一進(jìn)行分析驗(yàn)證，結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)改造及試驗(yàn)確定了通過(guò)增加電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改變軸承選型、增大緊固力矩及擴(kuò)大轉(zhuǎn)子氣隙的方法，解決了電機(jī)振動(dòng)大的問(wèn)題。引起立式電機(jī)振動(dòng)的原因種類(lèi)很多，通過(guò)采用根本原因分析法，系統(tǒng)性地分析所有可能的原因，為后續(xù)同型號(hào)電機(jī)生產(chǎn)提供了指導(dǎo)，也為現(xiàn)場(chǎng)處理電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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Improvement of Vertical Pump-motor Vibration Design for Nuclear Power Station

Ke Xiao

(Yangjiang Nuclear Power Station, Yangjiang, Guangdong 529500)

Yangjiang Nuclear Power Station unit 1 safety injection pump-motor, the motor occurred with high vibration during the trial process. In order to solve the common problem of the motor vibration of the model, the root cause analysis method was used to analyze the motor vibration. The problem of excessive motor vibration was virtually solved by increasing the motor strength, changing the motor stator and rotor clearance, replacing the bearing form, and meanwhile combining with spectral analysis. During the motor design, problems such as insufficient stiffness of motor support plate, inappropriate lectotype of bearing, resonance of rotor has been solved by root cause analysis and the related experimental. This paper described the process and result of the high vibration of motor, and analyzed the root-cause of motor vibration.

nuclear power station; pump-motor; vibration; root cause analysis method

柯 嘯（1987-），男，陽(yáng)江核電有限公司，機(jī)械部設(shè)備管理工程師,從事機(jī)電設(shè)備管理工作。