某核電站主給水前置泵振動超標治理

程學慶，施佳赟

（上海核工程研究設計院，上海200233）

0 引言

核電廠主給水系統(tǒng)通過向蒸汽發(fā)生器提供給水來維持核島熱量導出，是保證電廠運行和安全的重要組成部分。主給水前置泵是主給水系統(tǒng)的重要設備，其運行直接影響蒸汽發(fā)生器給水流量的穩(wěn)定［1］，從而對核電廠核島一回路和反應堆的安全運行產(chǎn)生影響。國內二代或二代加核電主給水前置泵多采用汽動泵或電動調速泵，而本研究中的三代核電主給水前置泵采用的是電動定速泵［2-3］，二者運行特性存在一定的差異，對振動問題的研究和處理方法也不同。本研究從分析振動現(xiàn)象入手，探討可能的故障因素并逐一排查，結合設備制造和安裝特性，通過頻譜分析鎖定故障原因，制定了泵軸承箱改造方案。該方案簡單實用、成本低、經(jīng)濟效益好，可應用到同類振動問題的分析和處理中。

1 機組概述

某核電機組主給水系統(tǒng)流程如圖1所示。調試期間，主給水系統(tǒng)主要在正常工況和小流量工況下運行。正常工況下，主給水泵出口母管的水去往#6，#7 高壓加熱器（以下簡稱高加）；小流量工況下，主給水泵出口母管的水通過小流量調節(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，其中前置泵轉速為1 480 r/min，主給水泵轉速為4 660 r/min，兩者通過增速齒輪箱連接。主給水泵組主要在2種工況下運行，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行振動限值為0.1mm（位移值）和9.9 mm/s（速度值），振動超過此限值即需要停泵檢修［6］。

該核電機組調試期間，發(fā)現(xiàn)#1 機組3 臺主給水前置泵存在驅動端軸承振動偏大的共性問題，具體表現(xiàn)為:在小流量工況（1 100 m3/h）下，主給水前置泵驅動端軸承垂直方向振動值超過驗收標準9.9 mm/s，其中某臺主給水前置泵A 的驅動端軸承振動甚至達到13.2 mm/s，如圖2 所示；同時，從圖2 還可以看出，隨著運行時間的增加，振動值呈緩慢爬升的趨勢。

2 振動治理過程

2.1 振動誘發(fā)因素分析

因振動機理的復雜性和原因的多重性，振動原因的分析和查找較為復雜。面對眾多可能誘發(fā)振動的因素，可從設計、安裝、運行3 個方面逐一開展檢查［7］，具體見表1。檢查過程:發(fā)現(xiàn)振動→檢查設備運行工況與設計工況是否一致（流量、壓力、溫度等）→基礎是否牢靠→支撐剛度→對中情況→外來應力（管道干涉等）→本體缺陷（軸承/葉輪/轉子不平衡等）→振動頻譜分析→確定方案→試驗驗證效果→優(yōu)化方案→再次試驗→方案固化。

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

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

2.2 彈簧基礎安裝運行狀況分析

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

為了分析彈簧基礎對泵運行振動的影響，在泵運行時安排專人實時測量彈簧的壓縮數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)表明，各位置的彈簧壓縮量一致，運行中彈簧基礎的狀態(tài)平穩(wěn)良好。此外，通過錘擊試驗測得彈簧基礎固有頻率為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，不會產(chǎn)生共振。

2.3 主給水前置泵對中情況校核

經(jīng)驗表明，旋轉機械的對中偏心會造成附加彎矩，而在轉動一周的過程中，這個彎矩的方向也隨之發(fā)生周期性變化，對于聯(lián)軸器連接的2部分來說，任何一部分受到的都是周期性激勵，這個周期性激勵會造成系統(tǒng)和設備的振動［8］。

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

2.4 主給水前置泵進出口管道支吊架調整

為檢查進口管道是否會對前置泵產(chǎn)生外來應力，解開前置泵的進、出口法蘭檢查對口情況并測量對口數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)記錄看，進、出口法蘭都有一定程度的錯口，出口法蘭錯口明顯，最大處達23 mm。按設計圖紙重新調整進、出口管道的支吊架，消除了進、出口管道的錯口。重新啟動主給水前置泵，小流量工況下運行振動值依然超過9.9 mm/s。

2.5 主給水前置泵解體檢查

在供貨商的參與下，調試工程師組織維修人員解體主給水前置泵并進行了幾個方面的檢查處理:測量軸串動量，數(shù)據(jù)均合格；調整軸瓦接觸面，調整后比調整前接觸面更為均勻；對轉軸鍵槽處、葉輪外緣面做滲透檢查，結果均合格。隨后，回裝主給水前置泵，再次進行小流量帶載試驗，振動值依然超過9.9 mm/s。

2.6 軸承箱改造方案

經(jīng)過各項檢查和優(yōu)化調整后振動問題依然未有效解決，調試人員對振動頻譜進行分析研究并提出了治理方案。

主給水前置泵轉速為1 480 r/min，對應頻率約為25 Hz，葉片為5 個，而通過分析現(xiàn)場振動頻譜圖得知:振動的頻率成分主要是125 Hz（如圖3所示），即5 倍頻分量。就振動性質而言，屬于流道突變導致介質壓力脈動而產(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），泵體和軸承座剛度不足以承受該激振力而出現(xiàn)振動超標［9］。

因此，初步制定了2 個前置泵改造方案:（1）從流體作用力角度降低壓力脈動。嘗試改變葉輪與隔舌間隙，或改變葉片數(shù)量和葉片形式；（2）提高軸承座剛度，對軸承箱加裝支撐件。從結構上看，主給水前置泵軸承座下半端面通過螺栓連接在泵體上，而上半端面處于脫開狀態(tài)，這種結構導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［10］。

因葉片調整和流道設計變更工作復雜程度高、耗時久且需要做一系列工廠論證試驗，現(xiàn)場不具備改造和驗證條件，因此選擇較為實際的第2個方案，即對軸承箱進行改造。

詳細分析振動頻譜圖并考慮現(xiàn)場設備安裝布置情況，對軸承箱制定了以下改造方案:（1）在主給水前置泵驅動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，降低振動速度；（2）在驅動端軸承箱下半部加裝立式支撐柱（如圖5 所示），將下部支撐柱設計成2 個部分的組合件，中間通過帶內螺紋的可調節(jié)鎖緊套筒連接，可通過緩慢調節(jié)支撐柱高度來改變支撐力和軸系提升量，尋找振動最低點。

圖3 主給水前置泵振動頻譜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，試驗結果如圖6 所示。從圖6 可以看出，主給水前置泵振動最大值從改造前的13.2 mm/s 降到3.2 mm/s，并且振動趨于平穩(wěn)，沒有再出現(xiàn)振動爬升現(xiàn)象，振動超標問題徹底解決。

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

此外，通過錘擊試驗測試改造前、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。

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

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

圖8 軸承箱改造前、后振動對比Fig.8 Comparison of vibration before and after the bearing box transformation

3 結束語

單臺前置泵造價昂貴，若不進行改造而直接更改葉輪，耗時長且花費大。本文提出的軸承箱改造方案中，單臺泵軸承箱改造成本不過數(shù)萬元，經(jīng)濟效益十分顯著。

機組調試階段，轉機設備振動超標屬高發(fā)事件，而設備振動診斷及治理是一項關鍵技術。此次改造通過檢查設備運行特性、測試固有頻率、分析振動頻譜及考察設備結構特性，最終制定了軸承箱改造方案。該方案簡單實用，可應用到同類振動問題的分析和處理中，以提高振動故障的處理效率。