鄭東佳 董 波

(福建福清核電有限公司，福建 福州 350318)

1 概述

安全注入系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)是核電廠專設(shè)安全系統(tǒng)，用于核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，操縱員向核反應(yīng)堆堆芯注入冷卻水冷卻反應(yīng)堆、向安全殼內(nèi)噴淋冷卻水以降低事故時(shí)安全殼內(nèi)的輻射裂變產(chǎn)物濃度，以確保核反應(yīng)堆堆芯的應(yīng)急冷卻和安全殼完整，限制嚴(yán)重事故發(fā)展、減輕事故后果，而大型立式電機(jī)安注泵電機(jī)與安噴泵電機(jī)分別是這兩個(gè)專設(shè)安全系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

自建安調(diào)試期間開始，該類大型立式電機(jī)就頻繁出現(xiàn)振動(dòng)高的問題，影響調(diào)試及大修計(jì)劃，威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)延誤調(diào)試計(jì)劃長達(dá)2個(gè)月。為了解決問題，電廠先后嘗試了多種措施，包括將電機(jī)冷卻水管道由不銹鋼變更為金屬軟管、增加冷卻水管道的支吊架、混凝土地面增加木樁支撐等措施，以及頻繁開展中、基礎(chǔ)平整等維修工作[1]。投入巨大人力物力，短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮了相應(yīng)作用，電機(jī)振動(dòng)水平得到一定的改善，但運(yùn)行一段時(shí)間后，該類電機(jī)的振動(dòng)水平往往又會(huì)緩慢爬升[2]。上述原因使“安注/安噴泵電機(jī)振動(dòng)問題”成為核電廠的“疑難雜癥”。該類電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意

2 振動(dòng)診斷

2.1 啟動(dòng)前固有頻率

以該類大型立式電機(jī)振動(dòng)最典型的2號(hào)機(jī)組安全注入系統(tǒng)1號(hào)泵電機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行振動(dòng)診斷及治理，再將經(jīng)驗(yàn)反饋至該類型其他電機(jī)。

由于電機(jī)頂部對(duì)振動(dòng)最敏感，為系統(tǒng)關(guān)鍵位置，開展測(cè)試前電廠已在電機(jī)頂部增加抱箍，所以先測(cè)量該狀態(tài)下系統(tǒng)的固有頻率，然后松開電機(jī)頂部抱箍后補(bǔ)充測(cè)量電機(jī)頂部固有頻率進(jìn)行比對(duì)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)取前兩階，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 固有頻率及振型描述

2.2 啟動(dòng)后振動(dòng)幅值

電機(jī)頂部卡箍松緊兩種情況下，振動(dòng)幅值測(cè)試如表2所示(振動(dòng)需按照速度有效值≤4.5mm/s控制)。

表2 電機(jī)帶載啟動(dòng)后振動(dòng)水平

2.3 振動(dòng)頻譜/瀑布圖

電機(jī)振動(dòng)頻率24.7Hz，屬于一倍頻振動(dòng)，且頻譜單一，其他頻率分量占比小(圖2)。

圖2 電機(jī)振動(dòng)頻譜

2.4 數(shù)據(jù)分析

電機(jī)頂部加卡箍后，電機(jī)前兩階頻率分別為25Hz和28Hz，模態(tài)振型分別為沿Y方向彎曲和沿X方向彎曲。在松開支撐后的自由狀態(tài)時(shí)，電機(jī)前兩階模態(tài)頻率分別為22Hz和23Hz，加支撐比不加支撐時(shí)電機(jī)的前兩階頻率分別升高了3Hz和5Hz。這是因?yàn)殡姍C(jī)頂部抱箍支撐方式為T形支撐，沿Y方向支撐剛度較小，而沿X方向支撐剛度較大。

松開電機(jī)頂部卡箍后，X、Y向的振動(dòng)值分別為14.0mm/s、15.5mm/s，X向振動(dòng)增加，Y向振動(dòng)降低，變化原因與電機(jī)固有頻率變化相關(guān)。電機(jī)振動(dòng)頻率24.7Hz，電機(jī)頂部加支撐后，X、Y方向的固有頻率分別為28Hz和25Hz ，Y方向固有頻率接近泵的工作頻率24.7Hz，在工作頻率的激勵(lì)下，電機(jī)水平Y(jié)向的振動(dòng)值比水平X向的振動(dòng)值大。松開電機(jī)頂部卡箍后，X方向和Y方向固有頻率變化為23Hz和22Hz，X方向更接近泵的工作頻率24.7Hz，所以振動(dòng)增加；Y方向固有頻率相對(duì)遠(yuǎn)離泵的工作頻率，所以振動(dòng)相對(duì)降低。

2.5 同類型設(shè)備排查驗(yàn)證

該電機(jī)的振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)表明，共振是其根本原因，對(duì)同類型電機(jī)的固有頻率進(jìn)行排查對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同類型其他電機(jī)固有頻率同樣位于泵的激勵(lì)頻率(工作頻率24.7Hz)附近，再次證實(shí)了這一推斷。其他幾臺(tái)泵的電機(jī)測(cè)量頻率如表3所示。

表3 同類型電機(jī)固有頻率排查結(jié)果

2.6 診斷結(jié)論

該類大型立式電機(jī)振動(dòng)高主要由一倍頻振動(dòng)造成，而一倍頻不平衡力的來源比較廣泛，如電機(jī)存在虛腳，電機(jī)或者泵轉(zhuǎn)子不平衡，電機(jī)與泵中心在泵組運(yùn)行中發(fā)生了跑偏，電機(jī)冷卻水管接口法蘭張口變大，電機(jī)空冷器的質(zhì)量相對(duì)電機(jī)軸另一端比較集中等都會(huì)部分產(chǎn)生一倍頻率的不平衡力，這些都是電機(jī)振動(dòng)高的促成原因。電機(jī)固有頻率與工作頻率相近，其抵抗不平衡力的“抗干擾能力”變差，即使微小的不平衡力都會(huì)在共振的情況下使設(shè)備產(chǎn)生相當(dāng)大的振動(dòng)，對(duì)設(shè)備極具危害性，所以“共振”是電機(jī)振動(dòng)高的根本原因。

3 振動(dòng)治理

3.1 避免共振的方法

要避免共振，在激勵(lì)頻率無法改變的情況下，首先需提高或者降低設(shè)備的固有頻率，而根據(jù)該類型電機(jī)固有頻率排查結(jié)果，提高電機(jī)的固有頻率具有現(xiàn)實(shí)意義。由于固有頻率f正比于電機(jī)質(zhì)量及剛度，所以要提高電機(jī)固有頻率，在不可能減小電機(jī)質(zhì)量的前提下，提高電機(jī)系統(tǒng)的剛度，成為唯一可行的方法。

其次，從工程角度分析，設(shè)備一倍頻率的不平衡力無法避免，運(yùn)行時(shí)總會(huì)產(chǎn)生或大或小的不平衡力。要解決該大型立式電機(jī)的振動(dòng)問題，一方面需要設(shè)法改變電機(jī)固有頻率，盡量避開工作頻率，提高電機(jī)對(duì)不平衡力的抵抗能力；另一方面需要排查產(chǎn)生一倍頻不平衡力的源頭，盡量降低設(shè)備不平衡力。

3.2 拆除電機(jī)頂部卡箍

根據(jù)安注系統(tǒng)1號(hào)電機(jī)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)振動(dòng)分析，電機(jī)在無卡箍支撐下的前兩階固有頻率分別為22Hz 和23Hz，加上卡箍后的固有振動(dòng)頻率分別為25Hz和28Hz，而電機(jī)工作頻率為24.7Hz，與加上卡箍后Y方向固有頻率25Hz重合，所以電機(jī)頂部卡箍對(duì)于振動(dòng)有害無益。重新設(shè)計(jì)新的卡箍對(duì)于固有頻率的改變尚不明確，而且電機(jī)卡箍的安裝會(huì)引入額外的不平衡力，所以應(yīng)該拆除電機(jī)頂部卡箍。

3.3 平整電機(jī)基礎(chǔ)

基于前期的振動(dòng)測(cè)試與分析結(jié)論，需要盡量降低設(shè)備的不平衡力，首先確保電機(jī)基礎(chǔ)的水平度符合標(biāo)準(zhǔn)，消除電機(jī)虛腳。電機(jī)整體放置于基礎(chǔ)圓板上，基礎(chǔ)圓板放置于基礎(chǔ)方板上，基礎(chǔ)方板落座于混凝土地面，各部件通過地腳螺栓連接。電機(jī)檢修時(shí)，分別測(cè)量電機(jī)基礎(chǔ)圓板和基礎(chǔ)方板的水平度，將水平度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。拆去電機(jī)基礎(chǔ)圓板與基礎(chǔ)方板之間的墊片，在基礎(chǔ)方板加工后的上表面均勻涂一層紅丹粉，放上基礎(chǔ)圓板，檢查接觸情況，確保接觸面積達(dá)75%以上，如果接觸達(dá)不到要求，加工控制電機(jī)基礎(chǔ)圓板上的高點(diǎn)，直至符合要求為止。

3.4 消減冷卻水管施加的外部拉力

電機(jī)與外部唯一硬連接的部件為電機(jī)冷卻水管道，電機(jī)冷卻水管與電機(jī)空氣冷卻器連接，用于冷卻電機(jī)空氣冷卻器內(nèi)的熱空氣。所以，要減小電機(jī)外部應(yīng)力，應(yīng)檢查電機(jī)冷卻水管道是否引入了額外的不平衡力。電機(jī)設(shè)備冷卻水管接口處表面張口偏差最高達(dá)到8mm，遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)降低法蘭張口偏差后，設(shè)冷水管對(duì)電機(jī)的拉力有所減小，振動(dòng)也有所下降，驗(yàn)證確實(shí)存在管道應(yīng)力。為消除管道應(yīng)力，可以按現(xiàn)場(chǎng)管道布置情況重新裝配管道，切斷原冷卻水管并重新焊接，消除管道應(yīng)力對(duì)泵組振動(dòng)的影響。也可以將冷卻水進(jìn)、出口管道改為金屬軟管，值得注意的是改軟管雖然降低了外部應(yīng)力，但是同時(shí)也會(huì)影響電機(jī)系統(tǒng)的固有頻率，需要結(jié)合電機(jī)固有頻率綜合考量。

3.5 嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)子對(duì)中

不平衡力的另一個(gè)重要來源為電機(jī)與泵對(duì)輪中心在泵組運(yùn)行中發(fā)生了跑偏或者泵組聯(lián)軸器同心度超標(biāo)。該類立式電機(jī)的轉(zhuǎn)軸較長，自上到下由電機(jī)轉(zhuǎn)子、上聯(lián)軸器、中間軸長軸、下聯(lián)軸器、中間軸短軸及泵轉(zhuǎn)子組成。由于系統(tǒng)可能存在外部應(yīng)力，泵組頻繁啟動(dòng)時(shí)使電機(jī)發(fā)生微量位移，在泵組運(yùn)行時(shí)均會(huì)產(chǎn)生一定的不平衡力。檢修期間應(yīng)按照正確的順序，將電機(jī)及泵的靠背輪與聯(lián)軸器、中間軸的徑向及軸向跳動(dòng)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。安裝聯(lián)軸器時(shí)需盡量保證電機(jī)靠背輪、泵靠背輪的瓢偏值能夠互補(bǔ)，按照這一原則確定泵轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，將靠背輪的瓢偏對(duì)振動(dòng)的影響降到最小。還應(yīng)注意將聯(lián)軸器螺栓按質(zhì)量進(jìn)行兩兩組對(duì)，質(zhì)量相同或最接近的兩個(gè)螺栓編為一組，同一組中的兩顆螺栓安裝于對(duì)稱180°的位置，盡量減小轉(zhuǎn)子的不平衡力。

3.6 墊片變更與地腳螺栓力矩提升

變更電機(jī)、基礎(chǔ)圓板及基礎(chǔ)方板之間的墊片并提高地腳螺栓力矩是提高電機(jī)剛度的方法之一。取消電機(jī)基礎(chǔ)圓板與基礎(chǔ)方板之間的墊片，改為涂抹平面密封膠進(jìn)行密封，將電機(jī)與基礎(chǔ)圓板間的非金屬墊更換為內(nèi)、外雙環(huán)墊片，內(nèi)環(huán)為碳鋼金屬墊(保證剛度)、外環(huán)為橡膠墊(保證密封)。由于使用環(huán)境有輻照要求，金屬墊材料不能含有鈷元素，橡膠材料使用耐輻照橡膠。同時(shí)將電機(jī)地腳螺栓力矩由220N·m提升至280N·m，經(jīng)測(cè)量，改造后電機(jī)頂部X向及Y向固有頻率分別由23Hz、22Hz提升到25.7Hz和24.1Hz。

3.7 增加空氣冷卻器底部頂絲

在嘗試了多種增加固有頻率的方法后，發(fā)現(xiàn)在電機(jī)空氣冷卻器底部增加頂絲效果(4個(gè)M30螺栓)最好。頂絲位置如圖3所示。

圖3 電機(jī)空氣冷卻器底部頂絲安裝位置

3.8 綜合治理效果

對(duì)電機(jī)的各項(xiàng)治理措施逐步實(shí)施完成后，電機(jī)的振動(dòng)水平有了明顯改善，振動(dòng)由6.5mm/s逐步降到1.2mm/s，并且振動(dòng)穩(wěn)定不反復(fù)。完成治理的振動(dòng)趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 對(duì)策實(shí)施后振動(dòng)趨勢(shì)

4 核安全評(píng)估及優(yōu)化提升

4.1 電機(jī)抗震性能分析

增加頂絲后，選擇有限元分析的方法對(duì)電機(jī)開展抗震性能分析。電機(jī)殼體材料Q235-B，地腳螺栓性能等級(jí)8.8級(jí)，設(shè)備自重約3900kg。通過有限元分析得到的電機(jī)分別在沒有頂絲、增加頂絲以及增加頂絲且地震載荷情況下的模態(tài)頻率，得出電機(jī)結(jié)構(gòu)在加裝頂絲后事故工況地震載荷下固有頻率稍有提高，設(shè)備剛度滿足要求。

電機(jī)是通過8個(gè)M36的8.8級(jí)螺栓固定于基礎(chǔ)板上，取事故工況下螺栓載荷進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，工作溫度下的剪應(yīng)力、拉伸應(yīng)力小于其他工況(指穩(wěn)態(tài)工況、正常運(yùn)行工況和運(yùn)行瞬態(tài)及小破口緊急工況)許用應(yīng)力，更遠(yuǎn)小于事故工況許用應(yīng)力。計(jì)算地腳螺栓的拉剪組合系數(shù)，地腳螺栓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4.2 電機(jī)焊縫影響分析

在電機(jī)空冷器底部增加頂絲后，于潛在高應(yīng)力區(qū)域布置應(yīng)變片，對(duì)啟泵前后電機(jī)冷卻水箱各部位的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算潛在高應(yīng)力區(qū)域的最大交變應(yīng)力強(qiáng)度，判斷改造是否會(huì)對(duì)電機(jī)焊縫造成影響。

電機(jī)冷卻水箱最大動(dòng)應(yīng)力區(qū)位于冷卻水箱與電機(jī)筒體連接根部的上表面附近，各主要部位在啟泵前后的應(yīng)力無明顯變化，泵的運(yùn)行沒有導(dǎo)致冷卻水箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部變形，且各測(cè)點(diǎn)在泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力均小于材料持久疲勞應(yīng)力限值。另一潛在高應(yīng)力區(qū)域是冷卻水箱與電機(jī)筒體連接根部下表面，此部位振動(dòng)應(yīng)力與冷卻水箱與電機(jī)筒體連接根部上表面相當(dāng)，同樣小于材料持久疲勞應(yīng)力限值。測(cè)量結(jié)果表明，在電機(jī)冷卻水箱底部增加頂絲，不會(huì)對(duì)電機(jī)焊縫造成影響。

4.3 優(yōu)化與提升

為提升治理措施的普遍適用性，降低改造成本和核安全風(fēng)險(xiǎn)，安注系統(tǒng)1號(hào)電機(jī)振動(dòng)治理完成后，進(jìn)一步將電機(jī)空冷器底部增加頂絲的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)為該類大型立式電機(jī)專用減振工具，以方便安裝定位和拆卸檢修，且專用工具比4個(gè)頂絲獨(dú)立布置更穩(wěn)定。設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5 專用工具設(shè)計(jì)示意圖

5 結(jié)論

①振動(dòng)根本原因：該類電機(jī)振動(dòng)頻繁發(fā)生且難以治理的根本原因?yàn)殡姍C(jī)的固有頻率接近工作頻率，電機(jī)始終處于振動(dòng)敏感區(qū)，加上偶發(fā)一倍頻不平衡力，即使力比較小，也導(dǎo)致較大振動(dòng)，而振動(dòng)增大會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致不平衡力增大，出現(xiàn)“越振越偏、越偏越振”的惡性循環(huán)。

②振動(dòng)治理措施：優(yōu)化各部件之間墊片，在合理范圍內(nèi)提升地腳螺栓力矩，特別是在電機(jī)冷卻水箱底部增加頂絲提高電機(jī)固有頻率，使電機(jī)避開振動(dòng)敏感區(qū)，并消除造成一倍頻不平衡力的各內(nèi)外部因素，使電機(jī)受到的不平衡力降低。

③使用專用工具降低同類型泵的振動(dòng)：對(duì)于同類型設(shè)備振動(dòng)問題，可以使用專用減振工具。專用減振工具滿足“找到一個(gè)合理可行、穩(wěn)定性高、同類型設(shè)備普遍適用且核安全風(fēng)險(xiǎn)及改造成本盡量低的方案，以降低振動(dòng)水平并提高抗干擾能力”的任務(wù)目標(biāo)。