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(福建福清核電有限公司,福建福清 350318)
反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡(jiǎn)稱主泵,下同)是壓水堆冷卻劑環(huán)路系統(tǒng)中唯一高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備,用于驅(qū)動(dòng)帶有放射性的高溫高壓冷卻劑,以便其將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路介質(zhì)。作為提供動(dòng)力的主泵電機(jī),無疑起到“心臟”的作用,其性能的好壞將直接影響到主泵的穩(wěn)定、有效及安全運(yùn)行,進(jìn)而影響到核電廠的整體運(yùn)行工況。
國(guó)內(nèi)某壓水堆核電站所采購(gòu)的百萬千瓦級(jí)主泵電機(jī)系國(guó)內(nèi)某大型電機(jī)廠首次自主研發(fā)、設(shè)計(jì)及制造?;谌S承主泵泵組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),電機(jī)進(jìn)行出廠試驗(yàn)的部件除電機(jī)本體外,還包含主泵電機(jī)上支座、主泵電機(jī)下支座的泵類部件。下面針對(duì)電機(jī)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與循環(huán)油系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。
圖1 主泵三軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、下機(jī)架、導(dǎo)軸承、冷卻器等部分組成。上機(jī)架、定子及下機(jī)架從上到下組成一體,其中電機(jī)的導(dǎo)軸承安裝在上機(jī)架內(nèi),飛輪位于下機(jī)架內(nèi),止逆機(jī)構(gòu)位于電機(jī)頂部。電機(jī)與主泵共用的雙向推力組合軸承布置在泵與電機(jī)的位置,改變了常規(guī)采用的推力軸承布置在電機(jī)轉(zhuǎn)子上端,即轉(zhuǎn)子支點(diǎn)在上的懸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,故電機(jī)總體結(jié)構(gòu)為半傘式,即電機(jī)本體內(nèi)僅布置一個(gè)上導(dǎo)軸承,承重支點(diǎn)在電機(jī)的軸伸位置。
基于三軸承主泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),電機(jī)進(jìn)行出廠試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)除包含電機(jī)本體外,還包含主泵電機(jī)上支座、主泵電機(jī)下支座的泵類部件。電機(jī)上支座起到主泵電機(jī)支撐作用,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括雙向推力組合軸承、油箱、油冷卻器等;電機(jī)下支座起到電機(jī)上支座與主泵泵體的定位作用。通過電機(jī)的上、下支座,來保證電機(jī)循環(huán)油系統(tǒng)的正常使用,從而實(shí)現(xiàn)軸承的冷卻與潤(rùn)滑功能,并起到調(diào)節(jié)油箱內(nèi)油位作用。
電機(jī)循環(huán)油系統(tǒng)由主進(jìn)油管、輔進(jìn)油管、出油管、電機(jī)上油箱組成,其中包含閥門、流量計(jì)、止逆閥等零部件。主泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí),為防止上導(dǎo)軸承因缺少潤(rùn)滑油而損壞,須先起動(dòng)輔進(jìn)油管潤(rùn)滑油泵(泄油泵),由輔進(jìn)油管向上油箱供油。電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后,主進(jìn)油管將向上油箱正常供油,停止輔進(jìn)油管潤(rùn)滑油泵,供油任務(wù)改為主進(jìn)油管完成。
上述首臺(tái)主泵電機(jī)在廠內(nèi)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,出現(xiàn)了軸振值嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象。針對(duì)振動(dòng)超標(biāo)問題產(chǎn)生的原因,通過多方面的查找、分析,確定了原因并進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn),最終使電機(jī)的試驗(yàn)振動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。
主泵電機(jī)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,共設(shè)置了2個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分別位于電機(jī)上機(jī)架及電機(jī)軸,其中上機(jī)架的振動(dòng)上限值設(shè)置為90μm,電機(jī)軸的振動(dòng)上限值設(shè)置為120μm。每個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)振動(dòng)傳感器,分別監(jiān)測(cè)X、Y向振動(dòng),其中電機(jī)軸的傳感器為渦流式的位移傳感器,而電機(jī)上機(jī)架的傳感器為速度傳感器,具體的位置圖見圖2。
圖2 主泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)
2.2.1 故障現(xiàn)象
2012年5月7日,主泵電機(jī)在未安裝止逆情況下開始到達(dá)額定轉(zhuǎn)速試運(yùn)轉(zhuǎn),經(jīng)過近3小時(shí)試轉(zhuǎn)后剎車停機(jī),試驗(yàn)過程中電機(jī)軸振普遍在100μm以上,最大時(shí)達(dá)到127μm。
5月13日,電機(jī)在安裝上止逆機(jī)構(gòu)后重新開始試轉(zhuǎn),僅過了不到半小時(shí),電機(jī)振動(dòng)即加劇,振動(dòng)曲線陡升,振動(dòng)值最大達(dá)到140μm,電機(jī)被迫剎車停機(jī)。
5月18日,電機(jī)拆下止逆機(jī)構(gòu)再次開始試轉(zhuǎn),電機(jī)在試轉(zhuǎn)1小時(shí)后軸振達(dá)到最大為134.296μm, 隨后軸振在90~117μm附近波動(dòng),剎車停機(jī)。
5月20日,電機(jī)在重新裝配調(diào)整后開始試轉(zhuǎn),當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)軸振為76μm左右。持續(xù)一段時(shí)間后,軸振變大,在1小時(shí)后達(dá)到最大,131.675μm左右,隨后剎車停機(jī)。
5月22日,電機(jī)進(jìn)行最后一次試轉(zhuǎn),到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后,軸振最大到135μm左右,上導(dǎo)瓦溫升到72℃左右,將近1小時(shí)后停機(jī)。
2.2.2 故障原因分析
為查找電機(jī)振動(dòng)的原因,對(duì)電機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)數(shù)據(jù)的收集,并進(jìn)行頻譜分析。通過電機(jī)的頻譜圖(圖3)分析,電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,上、下方的優(yōu)勢(shì)頻率均為1倍頻,其他頻率成分相當(dāng)小。
圖3 電機(jī)頻譜圖
初步分析可能由如下幾個(gè)因素引起振動(dòng)過大。
(1)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在問題,主要懷疑振動(dòng)傳感器的探頭出現(xiàn)松動(dòng)或損壞;
(2)轉(zhuǎn)子的剩余不平衡力過大;
(3)電機(jī)上導(dǎo)軸承間隙過大;
(4)推力盤端面跳動(dòng)值偏大。
針對(duì)上述的初步原因分析,采取了一系列措施進(jìn)行設(shè)備調(diào)整或工藝上的改進(jìn)。首先對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行再次詳細(xì)檢查,確認(rèn)探頭是否出現(xiàn)松動(dòng)或損壞;針對(duì)轉(zhuǎn)子的剩余不平衡力,經(jīng)過對(duì)電機(jī)在試驗(yàn)期間測(cè)得的振動(dòng)曲線進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)電機(jī)在試運(yùn)轉(zhuǎn)過程的低速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下沒有出現(xiàn)振動(dòng)突變,根據(jù)生產(chǎn)廠家的過往制造經(jīng)驗(yàn),若轉(zhuǎn)子自身的動(dòng)平衡存在問題,電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)值就會(huì)陡升。但是在前述的數(shù)次試轉(zhuǎn)的過程中,振動(dòng)值在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前保持在合格范圍內(nèi)且處于穩(wěn)定轉(zhuǎn)態(tài),故可基本排除問題來源于轉(zhuǎn)子本身。
對(duì)于上導(dǎo)軸承間隙過大導(dǎo)致振動(dòng)偏大的可能性,生產(chǎn)廠家在進(jìn)行的數(shù)次試轉(zhuǎn)過程中已對(duì)上導(dǎo)軸承的間隙做過微調(diào)處理,將間隙值從單邊0.165mm逐漸調(diào)整到0.15mm,但發(fā)現(xiàn)電機(jī)在調(diào)整后的后續(xù)試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸振下降幅度不明顯。如果繼續(xù)調(diào)整上導(dǎo)瓦與轉(zhuǎn)軸的間隙,存在因間隙過小而導(dǎo)致無法滿足運(yùn)行時(shí)軸承部件熱膨脹和動(dòng)壓油膜建立需求,最終造成瓦溫過高而形成燒瓦的潛在風(fēng)險(xiǎn),且上導(dǎo)瓦的原供貨商也不建議繼續(xù)縮小導(dǎo)瓦與轉(zhuǎn)軸間的間隙。
電機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),推力盤端面的跳動(dòng)值為0.05mm。試運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后,生產(chǎn)廠家升版相關(guān)的擺度工藝守則,將推力盤與轉(zhuǎn)軸、上半聯(lián)軸器及可拆軸等一同在10m臥車上測(cè)量擺度值,將推力盤端面的跳動(dòng)值調(diào)整到0.02mm。
通過上述的調(diào)整及改進(jìn),主泵電機(jī)在廠內(nèi)重新進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn),運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸振仍不穩(wěn)定,電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后的振動(dòng)值在100μm~110μm之間進(jìn)行波動(dòng)。此次試運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果反映了之前對(duì)造成振動(dòng)超標(biāo)的可能因素并不是造成主泵電機(jī)軸振偏大的主要原因。
通過進(jìn)一步的分析與排查,認(rèn)為轉(zhuǎn)軸上的部件松動(dòng)也是引起軸振的變化與不穩(wěn)定重要因素。基于此思路,考慮到由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸的下導(dǎo)軸承套筒與轉(zhuǎn)軸采用冷裝方式,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中或因此套筒松動(dòng)從而造成了軸振偏大。另外,在設(shè)計(jì)方過去的四軸承結(jié)構(gòu)泵組設(shè)計(jì)中,此套筒是在推力盤下方,能夠被聯(lián)軸器和中間套筒軸向頂緊。而此核電項(xiàng)目的主泵泵組采用是三軸承結(jié)構(gòu)泵組設(shè)計(jì),該套筒是在推力盤的上方,套筒軸向長(zhǎng)度比此段軸最大短0.15mm,軸向是靠套筒上端的“O”型橡膠圈來撐緊,存在高溫下松動(dòng)的可能。
圖4 三軸承結(jié)構(gòu)圖
圖5 四軸承結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)上述的分析,生產(chǎn)廠家通過升版相關(guān)的工藝程序改變下導(dǎo)軸承套筒與轉(zhuǎn)軸的安裝方式,由原先的冷裝改為熱套,并將套筒與轉(zhuǎn)軸之間的過盈量值固化在0.08~0.11mm。通過上述的工藝改進(jìn)后,重新進(jìn)行了電機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn),在8小時(shí)的試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電機(jī)軸振的最大值不超過70μm,遠(yuǎn)低于上限值,滿足了考核要求,也證明了造成軸振超標(biāo)的根本原因來自于下導(dǎo)軸承套在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的松動(dòng)。
圖6 電機(jī)振動(dòng)曲線圖
綜上所述,引起電機(jī)振動(dòng)大的原因是多方面的。就本文所述的主泵電機(jī)振動(dòng)而言,由于是國(guó)內(nèi)首家采用百萬千瓦級(jí)的三軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的主泵電機(jī),在設(shè)計(jì)、工藝上有著不成熟之處,并且試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與其它類型的電動(dòng)機(jī)有著明顯的區(qū)別。因此,除了分析常規(guī)的引起電機(jī)振動(dòng)大原因外,結(jié)合頻譜分析及與其他設(shè)計(jì)類型的主泵電機(jī)相比較,準(zhǔn)確判斷出電機(jī)振動(dòng)的根本原因。
通過一系列的分析及解決措施,主泵電機(jī)的振動(dòng)問題得以順利解決,解決了影響主泵電機(jī)交貨進(jìn)度滯后的關(guān)鍵障礙,為核電站機(jī)組的調(diào)試提供了有力的設(shè)備保障。
總結(jié)振動(dòng)故障分析流程,應(yīng)關(guān)注兩點(diǎn):一是判斷故障的真?zhèn)?,即分析設(shè)備本身是否出現(xiàn)故障,是否為測(cè)振儀表失效造成的假象;二是分析故障的類型,就是分析發(fā)生了什么類型的振動(dòng)故障,是何種原因所造成的故障,這是故障診斷的核心。對(duì)故障類型的診斷,要找主要矛盾,在確保準(zhǔn)確的前提下,盡可能明確主要故障,進(jìn)一步分析并解決。
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