劉明利，王新陽，張輝仁

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116）

廠用水泵是核電站重要的保證冷源的動(dòng)力設(shè)備，振動(dòng)高故障嚴(yán)重威脅核島冷源的縱深防御功能，同時(shí)影響核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。廠用水泵是立式深井泵，采用導(dǎo)軸承作為泵轉(zhuǎn)子的徑向支撐，但由于導(dǎo)軸承數(shù)量較多且位于筒體內(nèi)部，無法直接測(cè)量其振動(dòng)，使得泵轉(zhuǎn)子振動(dòng)問題往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

本文介紹某核電站廠用水泵泵組電機(jī)軸承突發(fā)振動(dòng)高故障，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合頻譜和理論研究，準(zhǔn)確判斷了電機(jī)突發(fā)振動(dòng)故障的原因在于泵組轉(zhuǎn)軸部件，經(jīng)過解體檢修驗(yàn)證了判斷的正確性。同時(shí)，該故障誘發(fā)了泵組結(jié)構(gòu)共振，通過動(dòng)平衡方式進(jìn)行了降振處理[1]。

1 立式泵組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和共振特性分析

鑒于立式結(jié)構(gòu)泵組具有管路布置方便、節(jié)省空間等特點(diǎn)，在核電廠中大型的凝結(jié)水泵、低加疏水泵、循泵、廠用水泵等廣泛采用立式結(jié)構(gòu)，但同時(shí)由于立式泵軸系較長(zhǎng)、相對(duì)支撐剛度低，工作轉(zhuǎn)速容易接近設(shè)備的結(jié)構(gòu)共振區(qū)，導(dǎo)致泵組在工作運(yùn)行頻率下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振[2,3]。

1.1 立式泵組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4]

（1）立式泵組軸系布置細(xì)而長(zhǎng)，特別是多級(jí)泵，軸系較長(zhǎng)，如圖1 所示，泵座、支架等結(jié)構(gòu)件的剛度較弱，易導(dǎo)致其泵體的橫向剛度較差，結(jié)構(gòu)固有頻率較低。

圖1 廠用水泵泵組軸系簡(jiǎn)圖及結(jié)構(gòu)振型圖Fig.1 Diagram of the shaft system and structural vibration mode of service water pump unit

為便于軸系安裝與維護(hù)保養(yǎng)，立式泵組的電機(jī)機(jī)架一般在某一個(gè)方向上留有較大面積的窗口，一方面降低了泵組的固有頻率，另一方面使得泵組兩個(gè)方向的固有頻率不同。

（2）相比于臥式泵組，立式泵組受到管道布置的限制，一般安裝在環(huán)形基礎(chǔ)臺(tái)板上，導(dǎo)致其基礎(chǔ)支撐剛度變?nèi)?，降低了泵組的結(jié)構(gòu)固有頻率。

1.2 立式泵組共振特性分析[5,6]

（1）通過錘擊法得到較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)固有頻率，來判斷泵組的結(jié)構(gòu)共振，同時(shí)也可以通過松動(dòng)電動(dòng)機(jī)與支架連接螺栓觀察振動(dòng)變化情況來識(shí)別。根據(jù)立式泵組結(jié)構(gòu)共振的振動(dòng)特點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)振型圖，可以查找結(jié)構(gòu)共振源，如圖1 所示。

（2）立式泵組發(fā)生結(jié)構(gòu)共振后，其振動(dòng)狀況會(huì)表現(xiàn)得非常敏感，抗振能力很弱，轉(zhuǎn)子激振力較小的變化，比如運(yùn)行工況變化、檢修產(chǎn)生輕微不平衡、停運(yùn)一段時(shí)間重啟后冷熱態(tài)引起轉(zhuǎn)子微弱變形等均可能再次引起振動(dòng)的波動(dòng)，這樣泵組需要頻繁地進(jìn)行動(dòng)平衡。

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)共振的機(jī)理，振動(dòng)處理一方面通過改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，例如增加支撐提高剛度、增加阻尼降低固有頻率以及安裝調(diào)整，另一方面通過精細(xì)動(dòng)平衡，降低引起結(jié)構(gòu)共振的激振力，從而降低結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的振動(dòng)。

2 廠用水泵泵組概述和振動(dòng)數(shù)據(jù)

2.1 廠用水泵泵組概述

某核電廠2 號(hào)機(jī)組配有3 臺(tái)廠用水泵，一臺(tái)運(yùn)行、一臺(tái)熱備用、一臺(tái)冷備用。該泵為立式、7 軸、單支座的濕式水泵，采用浸沒式葉輪，出水管水平布置在泵基礎(chǔ)的上方。從泵吸入口到電機(jī)支撐座長(zhǎng)度為19.2 m，泵軸依靠揚(yáng)水管上的徑向橡膠軸承進(jìn)行徑向定位。軸向推力軸承位于電機(jī)上部。泵組轉(zhuǎn)速為 994 r/min（16.5 Hz），揚(yáng)程為54 m，功率為500 kW，流量為2 680 m3/h。廠用水泵在電動(dòng)機(jī)支架上法蘭面上裝有在線振動(dòng)傳感器，用以監(jiān)測(cè)泵體振動(dòng)。電機(jī)側(cè)沒有在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表，工作人員采用便攜式振動(dòng)儀表進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。泵組結(jié)構(gòu)及振動(dòng)傳感器布置如圖2 所示。

圖2 泵組結(jié)構(gòu)及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 The pump unit structure and vibration measuring points

2.2 廠用水泵泵組振動(dòng)數(shù)據(jù)

2021 年2 月13 日廠用水泵泵體在線振動(dòng)傳感器振動(dòng)高閃發(fā)報(bào)警，振動(dòng)最大值為5.1 mm/s，超過報(bào)警4.5 mm/s，隨后振動(dòng)測(cè)量人員對(duì)泵組進(jìn)行了就地振動(dòng)測(cè)量，振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1 所示，其中電機(jī)垂直方向振動(dòng)值達(dá)到9.71 mm/s，振動(dòng)值超過停機(jī)值7.1 mm/s，隨即停運(yùn)該泵，切換至B 泵運(yùn)行。

表1 泵體和電機(jī)振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Vibration measurement data of the pump body and motor

結(jié)合振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1 位置在線振動(dòng)數(shù)據(jù)和就地對(duì)位置1 和位置2 的振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，泵體振動(dòng)都在合格振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，電機(jī)的振動(dòng)值超過停機(jī)值7.1 mm/s。由于泵體振動(dòng)值在限值以內(nèi)，且泵體頻譜和電機(jī)頻譜成分較為相似，因此本文主要對(duì)電機(jī)進(jìn)行頻譜分析。其中，頻譜最大分析頻率為1 600 Hz，頻率分辨率為0.25 Hz，由于振動(dòng)主要頻率成分集中在工頻附近，所以頻譜中只截取100 Hz 以內(nèi)的頻段。電機(jī)水平方向和垂直方向振動(dòng)頻譜如圖3、圖4 所示。

圖3 電機(jī)水平方向振動(dòng)頻譜Fig.3 Diagram of horizontal vibration spectrum of motor

圖4 電機(jī)垂直方向振動(dòng)頻譜Fig.4 The vertical vibration spectrum of the motor

通過頻譜圖可以看出，振動(dòng)的主要頻率以15.5 Hz 為主，并不是以轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 為主，同時(shí)存在14.5 Hz 的頻率成分。這和以往該泵組振動(dòng)的情況存在差異（該泵組以往的運(yùn)行中的振動(dòng)頻譜主要以單一的工頻16.5 Hz 為主）。

3 廠用水泵泵組電機(jī)振動(dòng)原因分析

3.1 泵組電機(jī)歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)

關(guān)于電機(jī)振動(dòng)高，為了分析電機(jī)振動(dòng)故障原因，同時(shí)確定泵組中的14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率成分，分別調(diào)取了2020 年6 月22 日、2020年8 月26 日、2020 年10 月20 日三次振動(dòng)數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 泵組振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)Table 2 The historical vibration data of the pump unit

根據(jù)表2 振動(dòng)數(shù)據(jù)可知，電機(jī)和泵體的振動(dòng)都在合格范圍之內(nèi)。電機(jī)水平方向和電機(jī)垂直方向振動(dòng)頻譜分別如圖5、圖6 所示。

圖5 電機(jī)水平方向振動(dòng)頻譜圖Fig.5 The horizontal vibration spectrum of the motor

圖6 電機(jī)垂直方向振動(dòng)頻譜圖Fig.6 The vertical vibration spectrum of the motor

3.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上三段歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）對(duì)于電機(jī)水平方向而言，振動(dòng)值在2～3 mm/s，振動(dòng)值低于4.5 mm/s，振動(dòng)合格；振動(dòng)頻譜主要以轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 為主。

（2）對(duì)于電機(jī)垂直方向而言，振動(dòng)值低于1 mm/s，同時(shí)振動(dòng)情況優(yōu)于水平方向；振動(dòng)頻譜產(chǎn)生異常情況：2020 年6 月22 日中，主要以轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 為主；8 月26 日中，出現(xiàn)14.5 Hz、15.5 Hz 頻率成分，并且以15.5 Hz 頻率為主；10 月20 日中，依然出現(xiàn)14.5 Hz、15.5 Hz 頻率，以14.5 Hz 頻率為主。

結(jié)合2021 年2 月13 日振動(dòng)超標(biāo)的振動(dòng)數(shù)據(jù)和頻譜分析如下：

（1）2020 年6 月22 日，電機(jī)振動(dòng)水平方向和垂直方向振動(dòng)合格，振動(dòng)主要以16.5 Hz 為主，占據(jù)90%以上，說明主要以工頻振動(dòng)為主；

（2）8 月26 日和2020 年10 月20 日，電機(jī)水平方向依然以頻率16.5 Hz 為主，以工頻振動(dòng)為主；但是垂直方向不再以16.5 Hz 為主，出現(xiàn)了14.5 Hz 和15.5 Hz 頻率成分，而且還占據(jù)主要頻率；

（3）2021 年2 月13 日，電機(jī)水平方向和垂直方向振動(dòng)值分別達(dá)到 5.68 mm/s 和9.71 mm/s，頻率都以 15.5 Hz 為主，都存在14.5 Hz、16.5 Hz 頻率。這種振動(dòng)特征說明引起振動(dòng)的原因已經(jīng)不是普通的工頻振動(dòng)。

3.3 振動(dòng)原因的分析[7-13]

（1）由于泵組在電機(jī)上部及下部安裝了滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承故障是引起復(fù)雜頻率的故障的一種原因。當(dāng)滾動(dòng)軸承故障發(fā)展到故障后期，即出現(xiàn)軸承部件沖擊時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較為豐富復(fù)雜的頻率，并且會(huì)引起頻譜中整個(gè)地平噪聲的整體提高。振動(dòng)診斷人員通過CSI2140 振動(dòng)分析儀表對(duì)電機(jī)兩個(gè)滾動(dòng)軸承進(jìn)行軸承故障分析，根據(jù)軸承型號(hào)和軸承故障頻率的特點(diǎn)判斷，電機(jī)自由端和驅(qū)動(dòng)端兩處軸承并未發(fā)現(xiàn)軸承故障頻率，因此排除滾動(dòng)軸承故障。

（2）動(dòng)靜部件摩擦?xí)r，動(dòng)靜接觸處相當(dāng)于轉(zhuǎn)子增加了一道或數(shù)道支撐，由于支撐處的剛度和阻尼不是常數(shù)，而與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度有關(guān)，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式為非線性方程，它的解將含有高次諧波和分?jǐn)?shù)諧波的成分。因此動(dòng)靜部件摩擦可能是引起頻譜中出現(xiàn)復(fù)雜頻率成分，根據(jù)該泵組歷史頻譜數(shù)據(jù)的分析不難看出，垂直方向出現(xiàn)了較為豐富的諧波，同時(shí)摩擦理論研究和實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)子與靜止部件的局部摩擦?xí)r會(huì)引起穩(wěn)定的分?jǐn)?shù)諧波，其頻率為轉(zhuǎn)速頻率的二分之一，如圖6（c）中的8.25 Hz 頻率。

（3）該泵組工頻為16.5 Hz，而14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率成分并非工頻的同步或次同步頻率，與工頻成分沒有線性關(guān)系，所以引起14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率成分的激振力為非線性激振力。非線性激振力主要與軸系支撐結(jié)構(gòu)和安裝質(zhì)量相關(guān)。由于該泵組軸系通過導(dǎo)向軸承進(jìn)行徑向限位，一旦出現(xiàn)偏差或摩擦，便會(huì)產(chǎn)生非線性激振力，從而產(chǎn)生非線性頻率。

（4）結(jié)合該泵組的特點(diǎn)，由于泵轉(zhuǎn)子與電機(jī)上部軸承位置距離很遠(yuǎn)，如果產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦，產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞至電機(jī)上部軸承處時(shí)振動(dòng)值得到衰減，但同時(shí)又由于該泵組存在結(jié)構(gòu)共振的問題，使得摩擦引起的頻率得到放大。

綜上所述，懷疑軸系中導(dǎo)軸承出現(xiàn)摩擦，從而產(chǎn)生14.5 Hz、15.5 Hz 的振動(dòng)頻率，該頻率接近泵組的固有頻率，從而引起泵組發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。

4 廠用水泵泵組電機(jī)振動(dòng)高振動(dòng)處理過程

4.1 解體檢查軸系摩擦情況

鑒于3.3 章節(jié)關(guān)于振動(dòng)原因的分析，建議對(duì)該泵組進(jìn)行解體檢修，對(duì)泵導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，多處導(dǎo)軸承和軸套存在較為嚴(yán)重的摩擦，導(dǎo)軸承及軸套磨損情況分別如圖7、圖8 所示，部分導(dǎo)軸承磨損測(cè)量數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 泵組導(dǎo)軸承磨損數(shù)據(jù)Table 3 Data of the pump unit worn guide bearing

圖7 導(dǎo)軸承磨損情況圖Fig.7 The wear of the guide bearing

圖8 軸套磨損情況圖Fig.8 The wear of the shaft sleeve

4.2 更換導(dǎo)軸承后的振動(dòng)情況

經(jīng)過更換軸承和軸套之后，重新啟機(jī)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)量。電機(jī)自由端水平方向振動(dòng)值為8.27 mm/s，電機(jī)自由端垂直方向振動(dòng)值為7.29 mm/s，振動(dòng)值超過7.1 mm/s，頻譜圖如圖9、圖10 所示。

圖9 電機(jī)水平方向振動(dòng)頻譜Fig.9 The horizontal vibration spectrum of the motor

圖10 電機(jī)垂直方向振動(dòng)頻譜Fig.10 The vertical vibration spectrum of the motor

顯而易見，更換導(dǎo)軸承及軸套之后，對(duì)比圖3、圖4，振動(dòng)的頻率不再以15.5 Hz 的頻率為主，而是以工頻16.5 Hz 為主，同時(shí)也不存在14.5 Hz 的頻率成分。這也就說明，導(dǎo)軸承摩擦故障是14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率產(chǎn)生的原因，因此更換導(dǎo)軸承及軸套之后，振動(dòng)頻譜中，14.5 Hz、15.5 Hz 的頻率消失。

4.3 對(duì)泵組結(jié)構(gòu)共振的振動(dòng)處理

在消除摩擦故障之后，對(duì)電機(jī)軸承處進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，時(shí)域響應(yīng)波形圖如圖11 所示，固有頻率如圖12 所示。

圖11 電機(jī)錘擊試驗(yàn)波形圖Fig.11 The waveform of the motor hammering test

圖12 電機(jī)錘擊試驗(yàn)固有頻率圖Fig.12 The natural frequency of the motor hammering test

由圖12 可知，電機(jī)固有頻率15.5 Hz 的頻率和轉(zhuǎn)速頻率16.5 Hz 非常接近。同時(shí)通過電機(jī)支架螺栓扭矩調(diào)整試驗(yàn)，如圖13 所示，按照一定組合通過調(diào)整①～⑧號(hào)螺栓，驗(yàn)證了螺栓扭矩對(duì)振動(dòng)有較為明確的影響。綜合考慮考慮該泵組存在為結(jié)構(gòu)共振[14-17]。

圖13 電機(jī)支架扭矩調(diào)整試驗(yàn)圖Fig.13 The torque adjustment test of the motor support

根據(jù)本文1.2 章節(jié)論述，結(jié)構(gòu)共振泵組的振動(dòng)處理可以主要通過改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，例如增加支撐提高剛度、增加阻尼降低固有頻率以及安裝調(diào)整，另一方面通過精細(xì)動(dòng)平衡。鑒于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的客觀條件以及其他因素影響的綜合考慮，決定通過精細(xì)動(dòng)平衡進(jìn)行振動(dòng)處理[18-20]。動(dòng)平衡方案如圖14 所示，在電機(jī)頂部風(fēng)扇進(jìn)行平衡塊的調(diào)整，如圖15 所示。電機(jī)自由端水平方向和垂直方向振動(dòng)值降為2.3 mm/s和3.6 mm/s，滿足4.5 mm/s 的振動(dòng)限值。

圖14 電機(jī)動(dòng)平衡方案Fig.14 The motor dynamic balance plan

圖15 電機(jī)配重位置圖Fig.15 The motor balance weight position

5 結(jié)論

通過對(duì)廠用水泵泵組振動(dòng)高的處理，可以得到以下結(jié)論：

（1）立式長(zhǎng)軸深井泵組的導(dǎo)軸承位置往往無法進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，可以通過對(duì)上部電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高分辨率頻譜分析，及早發(fā)現(xiàn)并識(shí)別導(dǎo)軸承故障信號(hào)。

（2）導(dǎo)軸承發(fā)生摩擦后，除了產(chǎn)生較為豐富的諧波和次諧波頻率外，還會(huì)產(chǎn)生其非線性激振力引起的非線性頻率。

（3）導(dǎo)軸承摩擦引起的非線性頻率成分會(huì)由于接近泵組結(jié)構(gòu)的固有頻率而被放大，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)共振泵組振動(dòng)的敏感性，摩擦產(chǎn)生的激振力很容易導(dǎo)致泵組振動(dòng)超標(biāo)。