核電站立式長軸泵電動機振動故障診斷及處理

付江永， 劉明利， 王鴻雁

(山東核電有限公司, 山東煙臺 265116)

立式長軸泵在核電站中應(yīng)用廣泛，但由于其軸系長、重心較高、機座尺寸小等，容易引起其配套電動機產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振。筆者利用頻譜分析及固有頻率分析方法，結(jié)合某核電站服務(wù)水泵配套電動機振動異常的案例，研究結(jié)構(gòu)共振的機理，采取合理可行的處理措施，以尋求有效降低振動的方法，為今后類似問題的故障診斷及快速處理提供參考。

1 振動現(xiàn)象

1.1 泵結(jié)構(gòu)

核電站服務(wù)水泵位于核電站循環(huán)水泵房內(nèi)，從電站海水入口渠吸水，向設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的熱交換器輸送海水，在核電站停堆、熱備用、啟動和正常功率運行模式下，通過設(shè)備冷卻水系統(tǒng)向核電站核島內(nèi)各種設(shè)備提供冷卻。服務(wù)水泵為立式、單級長軸離心泵，配備立式空冷式電動機，聯(lián)軸器采用剛性聯(lián)軸器。水泵主要技術(shù)參數(shù)見表1，泵組結(jié)構(gòu)及振動測點見圖1。

表1 核電站服務(wù)水泵的基本參數(shù)

1—上軸承東西方向振動測點；2—上軸承南北方向振動測點；3—上軸承東西方向錘擊位置；4—上軸承南北方向錘擊位置；5—下軸承東西方向振動測點；6—下軸承南北方向振動測點

圖1 泵組結(jié)構(gòu)及振動測點示意圖

1.2 振動測量

服務(wù)水泵組在調(diào)試期運行過程中出現(xiàn)配套電動機振動大故障，經(jīng)解體檢修未發(fā)現(xiàn)泵組本體缺陷，重新安裝后振動依然無法降低。運行時泵組振動速度測量結(jié)果見表2，服務(wù)水泵電動機上、下軸承東西方向振動超過報警值(2.8 mm/s)。對電動機上軸承進行相位差測量及頻譜分析，測得電動機上軸承南北和東西方向振動相位差為180°，電動機上軸承頻譜圖見圖2，電動機下軸承頻譜圖見圖3。

表2 服務(wù)水泵振動速度測量結(jié)果 mm/s

圖2 電動機上軸承振動頻譜圖

圖3 電動機下軸承振動頻譜圖

1.3 振動分析

由頻譜分析可知，振動主要以1倍頻為主，無其他故障頻率，屬于普通強迫振動[1]。對普通強迫振動而言，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與其動剛度成反比：

A=F/K

(1)

式中：A為振幅；F為激振力；K為部件動剛度，表示部件產(chǎn)生單位振幅(位移)所需的交變力。

K=k/β

(2)

(3)

因此轉(zhuǎn)子對不平衡的響應(yīng)取決于兩方面的因素：(1)不平衡激振力的大小； (2)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動態(tài)特性，包括剛度、阻尼和固有頻率。

1.3.1 不平衡激振力故障排查

從式 (1)中可以看出，激振力增加必然導致振幅增加。轉(zhuǎn)子上激振力的來源主要有轉(zhuǎn)子殘余不平衡量以及電動機與泵的對中情況。經(jīng)查看泵組出廠數(shù)據(jù)，電動機轉(zhuǎn)子及泵轉(zhuǎn)子均做過動平衡試驗，數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求；選取電動機上軸承東西方向及南北方向進行振動相位測量，測點位置見圖1中1、2點。經(jīng)測量電動機上軸承南北方向與東西方向振動相位差為180°，不符合不平衡的振動特征，因此基本可排除不平衡故障。另一方面通過查看維修記錄，電動機與泵聯(lián)軸器對中控制在50 μm范圍內(nèi)，同時頻譜中無不對中的故障頻率，因此排除不對中產(chǎn)生激振力的可能。

1.3.2 系統(tǒng)固有動態(tài)特性分析及共振原因分析

由式(3)可知，當系統(tǒng)ωn接近或等于ω時，若阻尼較小，則β達到最小值，振動幅度將在外部激振力作用下變得非常大，即為共振。由表2可知，電動機上軸承東西方向振動明顯大于南北方向振動。由于電動機為立式安裝，電動機產(chǎn)生的激振力在南北方向及東西方向上一致，引起南北方向和東西方向振動差異的原因在于動剛度不同，現(xiàn)場電動機的支架在東西方向上存在檢修口，并且布置了出水管道，這兩方面的原因在一定程度上導致了東西方向和南北方向剛度的差異，進而引起了電動機南北方向和東西方向振動的差異。

錘擊試驗頻譜見圖4和圖5。

圖4 南北方向錘擊試驗結(jié)果

圖5 東西方向錘擊試驗結(jié)果

基于以上分析，現(xiàn)場決定對電動機上軸承進行錘擊試驗以測量泵組固有頻率[2]。由于泵組質(zhì)量較大，進行錘擊試驗時需要較大的激振力，為防止過大的激振力損壞軸承，錘擊試驗測點選擇在電動機上部軸承室下方的電動機外殼處(見圖1中3、4點)。經(jīng)測量，電動機上軸承東西方向固有頻率為15 Hz，電動機上軸承南北方向固有頻率為13 Hz。

泵組轉(zhuǎn)速頻率為16.5 Hz，泵組共振的避開率為±10%，即要求在14.85～18.15 Hz不應(yīng)存在共振頻率，而東西方向的固有頻率為15 Hz，恰好落入此頻率范圍內(nèi)，引起了結(jié)構(gòu)共振。南北方向固有頻率為13 Hz，與轉(zhuǎn)速頻率差值相比東西方向較大，振動較小。從固有頻率的測量結(jié)果及振動測量結(jié)果分析，引起泵組系統(tǒng)東西方向振動大的原因可能為結(jié)構(gòu)共振。

2 振動處理

如果存在結(jié)構(gòu)共振，可以從改變剛度或改變參振質(zhì)量來改變結(jié)構(gòu)的固有頻率[3]。 對于已有的結(jié)構(gòu)而言，改變質(zhì)量往往不現(xiàn)實，比較多的是從改變系統(tǒng)剛度著手。由于系統(tǒng)剛度除了與機架及基礎(chǔ)本身剛度相關(guān)外，還與各結(jié)合面間的連接剛度有關(guān)，這種連接包含軸承座、端蓋以及相關(guān)管道的連接狀況?，F(xiàn)場采取兩種方案嘗試改變固有頻率：(1)增加泵組系統(tǒng)剛度以提高固有頻率；(2)減弱泵組系統(tǒng)剛度以降低固有頻率。

2.1 增強系統(tǒng)剛度試驗

系統(tǒng)剛度包括各結(jié)合面的連接剛度以及支架的結(jié)構(gòu)剛度[4]。為增強各結(jié)合面的連接剛度，一方面對電動機支架法蘭面進行重新加工，在回裝過程中使水平度控制在優(yōu)秀水平；另一方面加大電動機與支架結(jié)合面、電動機支架與泵支架結(jié)合面連接螺栓的力矩。為了保證連接效果，對螺栓緊固次序進行嚴格控制，即同時緊固對角方位結(jié)合面上的螺栓，分1～3次均勻地增加緊力，逐步將螺栓同步緊固到位，可以有效防止端面連接不緊，同時避免法蘭面受力不均。為增加電動機支撐結(jié)構(gòu)剛度，現(xiàn)場在電動機支架東南西北四個方向各架設(shè)1個千斤頂，并嚴格控制千斤頂?shù)捻斏Χ取?/p>

起機后進行振動測量，電動機上軸承東西方向振動速度下降至5.5 mm/s，但南北方向振動速度上升至4.7 mm/s，超過標準值(2.8 mm/s)。增強剛度后經(jīng)錘擊試驗?zāi)媳狈较蚬逃蓄l率為15 Hz，東西方向固有頻率為18.5 Hz，結(jié)果見圖6、圖7。由振動測量結(jié)果及固有頻率測量結(jié)果可以看出泵組系統(tǒng)剛度及固有頻率提高量有限，雖然東西方向振動由所下降，但南北方向振動卻明顯上升，原因為：在質(zhì)量不變的條件下，南北方向系統(tǒng)剛度的提高必然導致其固有頻率的上升，南北方向最初固有頻率為13 Hz，剛度提高后，其固有頻率上升并落入了共振區(qū)間內(nèi)，從而導致振動明顯上升，而東西方向由于泵組剛度提高后其固有頻率偏離了共振區(qū)間，振動則有所下降。

圖6 增強剛度后南北方向錘擊試驗結(jié)果

圖7 增強剛度后東西方向錘擊試驗結(jié)果

2.2 減弱系統(tǒng)剛度試驗

為減弱泵組系統(tǒng)剛度以降低固有頻率，現(xiàn)場撤掉千斤頂后，降低各結(jié)合面連接螺栓的力矩，并松開電動機與電動機支架結(jié)合面西北角處的連接螺栓，電動機東西方向振動速度突降至3.3 mm/s，南北方向振動速度降低至1.81 mm/s，但東西方向振動速度仍然不能滿足2.8 mm/s的標準。為進一步調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率，現(xiàn)場在電動機與電動機支架結(jié)合面西北角處增加了厚度為2 mm的青稞紙墊片，一方面增加阻尼部件可抑制共振的發(fā)生，另一方面在電動機與支架結(jié)合處制造出虛腳，連接剛度會下降，泵組的固有頻率將隨之降低。減弱系統(tǒng)剛度后固有頻率測量結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 減弱剛度后南北方向錘擊試驗結(jié)果

圖9 減弱剛度后東西方向錘擊試驗結(jié)果

電動機啟動后振動速度測量結(jié)果見表3，通過適當降低泵組固有頻率，電動機上軸承東西方向和南北方向振動均滿足振動標準要求。

表3 調(diào)整固有頻率后的振動速度測量結(jié)果 mm/s

3 處理效果

比較表2和表3可以看出，電動機的振動特征由東西方向振動較大變化為南北方向振動較大。產(chǎn)生這種變化的原因為：降低泵組系統(tǒng)的剛度使得東西方向固有頻率偏離了共振區(qū)間，振動出現(xiàn)了大幅下降；而根據(jù)式(1)可知剛度的下降必然導致振幅的上升，所以南北方向剛度下降，使得南北方向振動略有上升。

經(jīng)過以上分析，采取連接剛度避開固有頻率的方法須慎重考慮，只有系統(tǒng)本身的剛度足夠高時，方可采取這種方法。對于本文所涉及的泵，其系統(tǒng)設(shè)計的剛度已經(jīng)較高，這一點可以通過增加系統(tǒng)剛度的嘗試中看出，在現(xiàn)場實施增加剛度的措施后，其固有頻率的上升量較小，原因在于其結(jié)構(gòu)本身的剛度及連接剛度已經(jīng)在較高水平，難以通過臨時措施提高其固有頻率。

4 結(jié)語

通過對服務(wù)水泵配套電動機的振動問題處理，可以得到以下結(jié)論：

(1) 頻譜分析與固有頻率分析方法可快速準確診斷結(jié)構(gòu)共振故障。

(2) 對于本身剛度已經(jīng)較高的結(jié)構(gòu)，減弱剛度及增加阻尼是解決結(jié)構(gòu)共振故障的一種有效方法。

(3) 在通過調(diào)整剛度解決結(jié)構(gòu)共振問題時，須兼顧各方向固有頻率與剛度的關(guān)系，防止出現(xiàn)一個方向振動降低，而另一方向振動上升的現(xiàn)象。