程學(xué)慶，施佳赟

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

0 引言

核電廠主給水系統(tǒng)通過(guò)向蒸汽發(fā)生器提供給水來(lái)維持核島熱量導(dǎo)出，是保證電廠運(yùn)行和安全的重要組成部分。主給水前置泵是主給水系統(tǒng)的重要設(shè)備，其運(yùn)行直接影響蒸汽發(fā)生器給水流量的穩(wěn)定［1］，從而對(duì)核電廠核島一回路和反應(yīng)堆的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)二代或二代加核電主給水前置泵多采用汽動(dòng)泵或電動(dòng)調(diào)速泵，而本研究中的三代核電主給水前置泵采用的是電動(dòng)定速泵［2-3］，二者運(yùn)行特性存在一定的差異，對(duì)振動(dòng)問(wèn)題的研究和處理方法也不同。本研究從分析振動(dòng)現(xiàn)象入手，探討可能的故障因素并逐一排查，結(jié)合設(shè)備制造和安裝特性，通過(guò)頻譜分析鎖定故障原因，制定了泵軸承箱改造方案。該方案簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好，可應(yīng)用到同類(lèi)振動(dòng)問(wèn)題的分析和處理中。

1 機(jī)組概述

某核電機(jī)組主給水系統(tǒng)流程如圖1所示。調(diào)試期間，主給水系統(tǒng)主要在正常工況和小流量工況下運(yùn)行。正常工況下，主給水泵出口母管的水去往#6，#7 高壓加熱器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)高加）；小流量工況下，主給水泵出口母管的水通過(guò)小流量調(diào)節(jié)閥去往除氧水箱［4-5］。

圖1 主給水系統(tǒng)流程Fig.1 Process of the main feedwater system

主給水泵組采用定速泵組，其中前置泵轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，主給水泵轉(zhuǎn)速為4 660 r/min，兩者通過(guò)增速齒輪箱連接。主給水泵組主要在2種工況下運(yùn)行，即正常流量2 300 m3/h 和小流量1 100 m3/h 工況，主給水泵和前置泵運(yùn)行振動(dòng)限值為0.1mm（位移值）和9.9 mm/s（速度值），振動(dòng)超過(guò)此限值即需要停泵檢修［6］。

該核電機(jī)組調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)#1 機(jī)組3 臺(tái)主給水前置泵存在驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)偏大的共性問(wèn)題，具體表現(xiàn)為:在小流量工況（1 100 m3/h）下，主給水前置泵驅(qū)動(dòng)端軸承垂直方向振動(dòng)值超過(guò)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)9.9 mm/s，其中某臺(tái)主給水前置泵A 的驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)甚至達(dá)到13.2 mm/s，如圖2 所示；同時(shí)，從圖2 還可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，振動(dòng)值呈緩慢爬升的趨勢(shì)。

2 振動(dòng)治理過(guò)程

2.1 振動(dòng)誘發(fā)因素分析

因振動(dòng)機(jī)理的復(fù)雜性和原因的多重性，振動(dòng)原因的分析和查找較為復(fù)雜。面對(duì)眾多可能誘發(fā)振動(dòng)的因素，可從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行3 個(gè)方面逐一開(kāi)展檢查［7］，具體見(jiàn)表1。檢查過(guò)程:發(fā)現(xiàn)振動(dòng)→檢查設(shè)備運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況是否一致（流量、壓力、溫度等）→基礎(chǔ)是否牢靠→支撐剛度→對(duì)中情況→外來(lái)應(yīng)力（管道干涉等）→本體缺陷（軸承/葉輪/轉(zhuǎn)子不平衡等）→振動(dòng)頻譜分析→確定方案→試驗(yàn)驗(yàn)證效果→優(yōu)化方案→再次試驗(yàn)→方案固化。

圖2 主給水前置泵振動(dòng)曲線Fig.2 Vibration velocity of the main feedwater booster pump

表1 振動(dòng)誘發(fā)因素分析Tab.1 Analysis of vibration-induced factors

2.2 彈簧基礎(chǔ)安裝運(yùn)行狀況分析

主給水前置泵基座是彈簧基礎(chǔ)形式，包含2 種型號(hào)（SPV2570.8，SPV2570.8.8）的彈簧，每種型號(hào)各8 個(gè)，共16 個(gè)。2 種型號(hào)的彈簧尺寸一致，承載力不同。

為了分析彈簧基礎(chǔ)對(duì)泵運(yùn)行振動(dòng)的影響，在泵運(yùn)行時(shí)安排專(zhuān)人實(shí)時(shí)測(cè)量彈簧的壓縮數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，各位置的彈簧壓縮量一致，運(yùn)行中彈簧基礎(chǔ)的狀態(tài)平穩(wěn)良好。此外，通過(guò)錘擊試驗(yàn)測(cè)得彈簧基礎(chǔ)固有頻率為3 Hz 左右，而主給水前置泵的固有頻率為25 Hz，二者差距較大，不會(huì)產(chǎn)生共振。

2.3 主給水前置泵對(duì)中情況校核

經(jīng)驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的對(duì)中偏心會(huì)造成附加彎矩，而在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，這個(gè)彎矩的方向也隨之發(fā)生周期性變化，對(duì)于聯(lián)軸器連接的2部分來(lái)說(shuō)，任何一部分受到的都是周期性激勵(lì)，這個(gè)周期性激勵(lì)會(huì)造成系統(tǒng)和設(shè)備的振動(dòng)［8］。

重新校核主給水前置泵的對(duì)中情況（包括外圓和開(kāi)口），各數(shù)值均在合格范圍內(nèi)，故排除對(duì)中偏差造成振動(dòng)超標(biāo)的可能。

2.4 主給水前置泵進(jìn)出口管道支吊架調(diào)整

為檢查進(jìn)口管道是否會(huì)對(duì)前置泵產(chǎn)生外來(lái)應(yīng)力，解開(kāi)前置泵的進(jìn)、出口法蘭檢查對(duì)口情況并測(cè)量對(duì)口數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)記錄看，進(jìn)、出口法蘭都有一定程度的錯(cuò)口，出口法蘭錯(cuò)口明顯，最大處達(dá)23 mm。按設(shè)計(jì)圖紙重新調(diào)整進(jìn)、出口管道的支吊架，消除了進(jìn)、出口管道的錯(cuò)口。重新啟動(dòng)主給水前置泵，小流量工況下運(yùn)行振動(dòng)值依然超過(guò)9.9 mm/s。

2.5 主給水前置泵解體檢查

在供貨商的參與下，調(diào)試工程師組織維修人員解體主給水前置泵并進(jìn)行了幾個(gè)方面的檢查處理:測(cè)量軸串動(dòng)量，數(shù)據(jù)均合格；調(diào)整軸瓦接觸面，調(diào)整后比調(diào)整前接觸面更為均勻；對(duì)轉(zhuǎn)軸鍵槽處、葉輪外緣面做滲透檢查，結(jié)果均合格。隨后，回裝主給水前置泵，再次進(jìn)行小流量帶載試驗(yàn)，振動(dòng)值依然超過(guò)9.9 mm/s。

2.6 軸承箱改造方案

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)檢查和優(yōu)化調(diào)整后振動(dòng)問(wèn)題依然未有效解決，調(diào)試人員對(duì)振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析研究并提出了治理方案。

主給水前置泵轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，對(duì)應(yīng)頻率約為25 Hz，葉片為5 個(gè)，而通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)頻譜圖得知:振動(dòng)的頻率成分主要是125 Hz（如圖3所示），即5 倍頻分量。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)生激振（流體激振力與流體參數(shù)、流道、葉片形式及數(shù)量等有關(guān)），泵體和軸承座剛度不足以承受該激振力而出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)［9］。

因此，初步制定了2 個(gè)前置泵改造方案:（1）從流體作用力角度降低壓力脈動(dòng)。嘗試改變?nèi)~輪與隔舌間隙，或改變?nèi)~片數(shù)量和葉片形式；（2）提高軸承座剛度，對(duì)軸承箱加裝支撐件。從結(jié)構(gòu)上看，主給水前置泵軸承座下半端面通過(guò)螺栓連接在泵體上，而上半端面處于脫開(kāi)狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致軸承箱垂直剛度降低。因此，給軸承箱加裝支撐可有效提高軸承箱剛度，從而降低振動(dòng)［10］。

因葉片調(diào)整和流道設(shè)計(jì)變更工作復(fù)雜程度高、耗時(shí)久且需要做一系列工廠論證試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)不具備改造和驗(yàn)證條件，因此選擇較為實(shí)際的第2個(gè)方案，即對(duì)軸承箱進(jìn)行改造。

詳細(xì)分析振動(dòng)頻譜圖并考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝布置情況，對(duì)軸承箱制定了以下改造方案:（1）在主給水前置泵驅(qū)動(dòng)端軸承箱上半端面加裝橫向連接件（如圖4所示），使軸承座與泵體盡可能連為一體，提高泵體自身剛度，降低振動(dòng)速度；（2）在驅(qū)動(dòng)端軸承箱下半部加裝立式支撐柱（如圖5 所示），將下部支撐柱設(shè)計(jì)成2 個(gè)部分的組合件，中間通過(guò)帶內(nèi)螺紋的可調(diào)節(jié)鎖緊套筒連接，可通過(guò)緩慢調(diào)節(jié)支撐柱高度來(lái)改變支撐力和軸系提升量，尋找振動(dòng)最低點(diǎn)。

圖3 主給水前置泵振動(dòng)頻譜Fig.3 Vibration spectrum of the main feedwater front pump

圖4 主給水前置泵上部橫向連接件Fig.4 The upper horizontal connection part of the main feedwater booster pump

圖5 軸承箱下部立式支撐柱Fig.5 Vertical support column under the bearing box

主給水前置泵軸承箱改造完成后，重新執(zhí)行了帶載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，主給水前置泵振動(dòng)最大值從改造前的13.2 mm/s 降到3.2 mm/s，并且振動(dòng)趨于平穩(wěn)，沒(méi)有再出現(xiàn)振動(dòng)爬升現(xiàn)象，振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題徹底解決。

圖6 軸承箱改造前、后泵運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)Fig.6 Vibration data during the operation of pumps before and after the bearing box transformation

此外，通過(guò)錘擊試驗(yàn)測(cè)試改造前、后泵體的剛度（如圖7 所示）可以明顯看出，改造后泵體剛度有明顯提升。

對(duì)改造前、后的振動(dòng)頻譜圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示（圖中，縱坐標(biāo)為單位激振力作用下的振動(dòng)值）。由圖8可以看出，改造后給水前置泵在固有頻率處（125 Hz）的振動(dòng)較改造前明顯降低。

圖7 軸承箱改造前、后剛度對(duì)比Fig.7 Comparison of the stiffness of the bearing box before and after the transformation

圖8 軸承箱改造前、后振動(dòng)對(duì)比Fig.8 Comparison of vibration before and after the bearing box transformation

3 結(jié)束語(yǔ)

單臺(tái)前置泵造價(jià)昂貴，若不進(jìn)行改造而直接更改葉輪，耗時(shí)長(zhǎng)且花費(fèi)大。本文提出的軸承箱改造方案中，單臺(tái)泵軸承箱改造成本不過(guò)數(shù)萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

機(jī)組調(diào)試階段，轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備振動(dòng)超標(biāo)屬高發(fā)事件，而設(shè)備振動(dòng)診斷及治理是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。此次改造通過(guò)檢查設(shè)備運(yùn)行特性、測(cè)試固有頻率、分析振動(dòng)頻譜及考察設(shè)備結(jié)構(gòu)特性，最終制定了軸承箱改造方案。該方案簡(jiǎn)單實(shí)用，可應(yīng)用到同類(lèi)振動(dòng)問(wèn)題的分析和處理中，以提高振動(dòng)故障的處理效率。