核電廠主泵及風(fēng)機動平衡試驗

核電廠中主泵和風(fēng)機多為離心式，這些設(shè)備的離心轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下工作時，由于轉(zhuǎn)子的材質(zhì)不均、毛坯缺陷、加工和裝配誤差、設(shè)計時存在的非對稱幾何形狀以及運行時葉輪存在腐蝕和雜質(zhì)吸附等原因，使其質(zhì)量分布不均勻。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時就會產(chǎn)生一個比較大的不平衡離心慣性力，使設(shè)備振動或損壞。動平衡就是為了減小不平衡離心慣性力，使轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)平衡的一種方法。

1 主泵動平衡試驗

1.1 主泵情況介紹

主泵全名反應(yīng)堆冷卻劑泵，是由空氣冷卻、三相感應(yīng)式電動機驅(qū)動的立式單級軸密封機組。從頂部到底部，由電動機、密封組件和泵的水力部件組成。冷卻劑通過泵殼底部吸入向上流過葉輪，葉輪上是帶有7個整體葉片的不銹鋼鑄件，從泵的頂部看，葉輪設(shè)計成逆時針轉(zhuǎn)動。

反應(yīng)堆主泵安裝有4個在線振動傳感器。其中兩個速度傳感器106MV和107MV。安裝在電動機殼體下法蘭上以測量電動機軸承的振動。另外兩個傳感器為非接觸式位移傳感器150MM和151MM，安裝在泵驅(qū)動軸聯(lián)軸節(jié)高度上。在兩個位移傳感器中間安裝有鍵相傳感器，以提供相位信息（圖1）。鍵相信號和振動信號通過現(xiàn)場接線盒將信號傳至主控和Bently3300儀表框架，以供記錄和報警。因為主控在線系統(tǒng)僅提供振動總值而沒有振動頻譜，因此通過DP1500便攜式測振儀與儀表框架信號輸出端子連接，可實現(xiàn)對主泵振動信號的采集和監(jiān)測。

圖1 主泵振動傳感器安裝示意圖

1.2 主泵振動分析和診斷

主泵現(xiàn)場動平衡試驗在熱停堆工況下進行，其主要原因是這一工況最接近主泵的正常運行工況。前面已分析的24Hz 是不平衡所導(dǎo)致，但不平衡不僅是質(zhì)量不平衡、還包括一部分熱不平衡，這是由于這個軸系在熱態(tài)工況下受熱膨脹不均造成的，所以動平衡試驗必須在熱態(tài)工況下進行。

2號機組第5次換料大修后，在熱態(tài)升溫過程中1號主泵振動由67um 增大到128um 并有上升趨勢。從當時的頻譜看，造成軸振動的主要頻為工頻，其他偕波分量幅值較小。從幅值上看，工頻分量占振動總量的90%以上，基本可以確定當時主泵振動偏大的主要原因為不平衡。而出現(xiàn)的11.8Hz 振動分量經(jīng)分析為軸封水注入而引起的振動，其產(chǎn)生原因主要與設(shè)計有關(guān)，且幅值較小，無需處理。根據(jù)以上分析，決定在機組熱態(tài)時對主泵進行動平衡試驗。

1.3 動平衡試驗過程

本次動平衡采用的是單面動平衡方法，加重平面為聯(lián)軸節(jié)處。在停運2號機組1號主泵前對主泵的數(shù)據(jù)進行了振動測量測，并將該次振動測量作為動平衡試驗的原始振動值（表1），據(jù)此估算試加重量約為851g ∠51°（圖2），對輪上14#和1#螺栓中間的鍵槽為零相位點。試加重量后，啟動主泵，測量振動，采集數(shù)據(jù)見表1。試重后振動幅值變化不大，1倍頻振動從128um 降低到107um，但相位角度變化很大，由339°變化到235°，改變了90°，幅值變化不大而相位角變化較大說明試重偏大，通過試重后振動計算配重，計算結(jié)果表明應(yīng)加重550g，加在14°相位上，實際加重556g。啟動主泵，待狀態(tài)穩(wěn)定后采集振動數(shù)據(jù)，一倍頻振動值下降到63um，主控顯示的振動總值也下降到70～90um左右，結(jié)果表明主泵動平衡后振動狀態(tài)良好。

圖2 加重位置示意圖

1.4 經(jīng)驗反饋和幾點建議

當主泵振動較高時，首先應(yīng)認真分析原因，確定是由不平衡故障引起。通常一倍頻要占總振動值的85%以上才可實施現(xiàn)場動平衡；當一倍頻分量中包含較大的熱變量時，泵啟動至狀態(tài)穩(wěn)定需較長的時間，數(shù)據(jù)采集應(yīng)在泵的狀態(tài)穩(wěn)定后(包括軸封水流量和軸承溫度)方可進行。根據(jù)本次測量經(jīng)驗，2RCP001PO的振動約經(jīng)過20～25min 后幅值趨于穩(wěn)定；試驗時，設(shè)備運行工況應(yīng)盡量接近正常運行工況。對于主泵，在進行動平衡試驗時，應(yīng)使每次的軸封水流量相同且與正常運行時的流量一致。

表1 2RCP001PO 主泵動平衡試驗數(shù)據(jù)

表2 秦山核電廠DVK 風(fēng)機平衡數(shù)據(jù)

當需較大配重時應(yīng)考慮將矢量分解，一個螺栓上的配重量不宜超過1500g。當主泵聯(lián)軸器平衡面上已有較多平衡塊時，應(yīng)綜合考慮原有的平衡塊，盡可能減少平衡面的配重。如難以實施，可選擇慣性飛輪作平衡面；由于主泵振動原因復(fù)雜，影響振動的因素較多，特別是熱變量對動平衡試驗的影響較大，這種熱不平衡量隨工況和運行時間而變化，試驗中必須充分地重視和考慮這個問題。在本次動平衡試驗中，2RCP001PO 在6月19日啟動后進行的振動測量中，一倍頻最大振動幅值和相位為67um ∠305°，到6月21日該點一倍頻振動幅值和相位變?yōu)?28um ∠338°，幅值和相位均有較大變化。

2 核級風(fēng)機動平衡

核電廠中風(fēng)機動平衡試驗同主泵動平衡原理相同，風(fēng)機可以看作具有集中質(zhì)量的單輪盤轉(zhuǎn)子。平衡時只需要一個校正平面，校正質(zhì)量安裝在葉輪上。若葉輪有平衡槽，平衡時將校正質(zhì)量安裝在平衡槽內(nèi)；若葉輪沒有平衡槽，平衡時校正質(zhì)量焊接在輪盤的外緣。由于核電廠風(fēng)機一般未加裝在線振動監(jiān)測裝置，或加裝的振動監(jiān)測裝置不具備頻譜分析功能。因此需要使用便攜式振動數(shù)據(jù)采集器并加裝鍵相傳感器來獲取振動信號（圖3）。

示例：秦山核電廠DVK 送風(fēng)機。該風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1500r/min。運行中風(fēng)機振動達7.71mm/s，振動為基頻，判斷為不平衡引起。風(fēng)機葉輪沒有平衡槽，考慮加重焊接在葉輪輪盤的外緣。平衡過程見表1，平衡進行了兩次。第一次平衡后，依計算結(jié)果將平衡角度調(diào)整了70度，振動達滿意水平（表2）。

核電廠風(fēng)機動平衡與核電廠主泵動平衡原理基本相同，但數(shù)據(jù)采集和振動分析方式卻有很大區(qū)別。主要體現(xiàn)在，主泵是通過主泵自帶傳感器而得到的軸位移和相位數(shù)據(jù)，而風(fēng)機則是通過便攜式振動數(shù)采器及脈沖轉(zhuǎn)速表測得的風(fēng)機軸承座振動速度及相位數(shù)據(jù)。由于采集方式不同，采集得到的振動數(shù)據(jù)單位不同，直接反應(yīng)在同一測點上測量得到的振動速度相位會超前振動位移相位90度，用速度單位得到的滯后角也將超前90度，這就要求風(fēng)機動平衡初次試重時要將滯后角度的區(qū)別考慮進來，避免試重位置加反，造成設(shè)備損壞甚至人身傷害的事故。

圖3 風(fēng)機振動傳感器安裝示意圖

3 結(jié)語

核電廠主泵和核輔廠房通風(fēng)設(shè)備均為核級設(shè)備，是執(zhí)行核安全功能的關(guān)鍵設(shè)備，當這些設(shè)備發(fā)生故障時對核安全往往會造成威脅。因此對于這些設(shè)備的故障需細致分析設(shè)備的振動故障原因，不僅要了解設(shè)備的各種振動原因及振動特征，還要考慮設(shè)備運行過程中綜合故障，才能準確判斷設(shè)備振動故障原因及故障位置，為精確實施動平衡提供理論依據(jù)。通過以上方法對設(shè)備的轉(zhuǎn)子進行動平衡的校正，可以減小轉(zhuǎn)子在工作時的慣性力和慣性力偶，從而減小了設(shè)備的振動。大大提高了設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性，增加了設(shè)備的使用壽命，也減少了因質(zhì)量原因而使設(shè)備損壞的因素，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量提供了有利的保障。

主泵及風(fēng)機等設(shè)備動平衡試驗，在降低設(shè)備振動的同時還可以積累相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可計算出設(shè)備動平衡影響系數(shù)，如同類設(shè)備再需要進行動平衡試驗時可直接通過影響系數(shù)和設(shè)備的原始振動算出應(yīng)加配重質(zhì)量而不需加試重，最少可進行一次配重即完成動平衡，減少設(shè)備的啟停次數(shù)，保證設(shè)備安全的同時更具有一定的經(jīng)濟效應(yīng)。