某核電廠發(fā)電機(jī)定子冷卻水泵振動(dòng)高分析及處理

梁 陽，張旭東，薄 文

(遼寧紅沿河核電有限公司 ，遼寧 大連 116001)

1 系統(tǒng)/設(shè)備介紹

發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)是通過一個(gè)閉式的低電導(dǎo)率水的循環(huán)回路帶走發(fā)電機(jī)定子線圈在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量。每臺機(jī)組定子冷卻水泵為兩臺(一用一備)，基本參數(shù)見表1。當(dāng)流量低于150 m3/h 或者工作泵跳閘時(shí)，備用泵自動(dòng)啟動(dòng)投入運(yùn)行[1]。該泵為單級臥式離心泵(圖1)，使用集裝式機(jī)械密封，由兩個(gè)相同的深溝球軸承，聯(lián)軸器為彈性柱銷聯(lián)軸器。

表1 基本參數(shù)

圖1 泵體結(jié)構(gòu)圖

2 泵組振動(dòng)高情況介紹及分析

該電廠4臺機(jī)組共有8臺定子冷卻水泵，每臺機(jī)組一用一備。自泵組投運(yùn)以來，發(fā)生振動(dòng)超過報(bào)警值共計(jì)37臺次。該泵失效將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子冷卻水失去備用泵，降低電廠發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。查詢歷次振動(dòng)測量數(shù)據(jù)，振動(dòng)頻譜較為清晰，下面以其中一次測量數(shù)據(jù)作振動(dòng)初步原因分析。

2015年12月14日執(zhí)行H2GST101PO振動(dòng)測量發(fā)現(xiàn)該泵振動(dòng)較上次測振結(jié)果大幅上升，泵驅(qū)動(dòng)端水平向(PBD-H)振動(dòng)達(dá)到4.2 mm/s，接近報(bào)警值4.5 mm/s。12月17日再次執(zhí)行振動(dòng)測量，發(fā)現(xiàn)泵驅(qū)動(dòng)端水平向振動(dòng)值達(dá)到4.8 mm/s，超過報(bào)警值，H2GST101PO振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

表2 H2GST101PO振動(dòng)數(shù)據(jù)

分析H2GST101PO驅(qū)動(dòng)端水平向振動(dòng)頻譜(圖 2)，1×、2×、3×頻率明顯，其中1×轉(zhuǎn)速頻率明顯增加，2×及3×倍頻率略有上漲。

圖2 泵驅(qū)動(dòng)端水平向振動(dòng)頻譜

分析泵軸向頻譜(PBND-A)可以看到存在明顯的2×轉(zhuǎn)速頻率[2]，且有大幅增加(圖3、圖4)。

圖3 泵軸向振動(dòng)頻譜(11月19日)

圖4 泵軸向振動(dòng)頻譜(12月17日)

綜合以上頻譜進(jìn)行分析，振動(dòng)幅值升高與不對中故障模式、B型機(jī)械(地腳螺栓)松動(dòng)[6]故障模式的頻譜特征較為接近，但1×倍頻升高也可能是A型機(jī)械松動(dòng)、軟腳或相關(guān)腳的共振故障模式導(dǎo)致(圖 5)，后續(xù)的排查工作主要針對這兩個(gè)方向開展。

圖5 頻譜-故障分析

3 泵組振動(dòng)高原因排查

引起泵組振動(dòng)的原因是多方面的[3]，由于該泵日常期間不具備停運(yùn)檢修條件，因此維修人員按照從簡單到復(fù)雜的策略，針對上述分析的可能原因進(jìn)行了排查與試驗(yàn)，具體過程與分析如下。

3.1 電機(jī)及泵組臺板螺栓緊固

維修人員首先對電機(jī)地腳、臺板地腳及軸承支架的固定螺栓進(jìn)行在線緊固，緊固后泵組振動(dòng)最大值有所降低，以H2GST101PO為例，2016年1月緊固后振動(dòng)最大值由4.8 mm/s降低為3.4 mm/s。但該泵在12月份再次出現(xiàn)振動(dòng)高問題，說明地腳螺栓不能從根本上解決該問題。

3.2 重新對中處理

由于GST泵組振動(dòng)頻譜中往往存在2×倍頻分量，維修人員曾多次重復(fù)執(zhí)行對中工作：在泵組停運(yùn)后復(fù)測聯(lián)軸器對中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)對中偏差往往較大。以H3GST101PO為例，2018年1月19日停泵檢查，發(fā)現(xiàn)對中偏差較大：電機(jī)相對于泵高0.285 mm，電機(jī)相對于泵偏左0.23 mm；張口0.13 mm(標(biāo)準(zhǔn)：0.05 mm)。

對該泵重新執(zhí)行對中工作后，再鑒定合格，電機(jī)振動(dòng)最大值為1.56 mm/s，泵振動(dòng)最大值為2.7～3.0 mm/s，較檢修前泵側(cè)振動(dòng)最大4.36 mm/s有明顯改善。但該泵在2018年4月份完成對中再鑒定后，2019年1月份再次出現(xiàn)振動(dòng)高問題，說明重新對中不能徹底解決GST泵組振動(dòng)問題。

3.3 電機(jī)及泵組臺板虛腳排查

在排查振動(dòng)問題過程中，對電機(jī)及泵組臺板虛腳問題進(jìn)行了同步排查，其中電機(jī)虛腳情況不嚴(yán)重，最大0.10 mm，經(jīng)過維修人員處理，將虛腳降至0.02 mm。而臺板由于是槽鋼焊接件，端面并非精加工面，因此存在一定縫隙，最大可達(dá)2 mm，經(jīng)過維修人員增加墊片調(diào)整，最大縫隙小于0.05 mm，同時(shí)保障了在一處位置放置墊鐵的數(shù)量不超過三個(gè)[4]。在章節(jié)3.1和3.2中檢修均對虛腳進(jìn)行了同步處理，但在后續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都再次出現(xiàn)了振動(dòng)高問題，因此說明虛腳問題并非振動(dòng)問題的根源。

3.4 泵組臺板剛度加強(qiáng)試驗(yàn)

圖6 臺板加強(qiáng)方案

鑒于泵組臺板由槽鋼焊接而成，同時(shí)上下表面非精加工面，可能會(huì)導(dǎo)致軸承座連接剛度不足[5]，2018年1月，維修人員通過在H3GST201PO泵組臺板上焊接支撐塊方式，增強(qiáng)框架剛度，嘗試解決振動(dòng)問題，具體方案見圖6。經(jīng)過臺板加強(qiáng)后，電機(jī)振動(dòng)最大值為1.44 mm/s，泵振動(dòng)最大值為2.13 mm/s，與處理前振動(dòng)水平3.35 mm/s有所降低。隨后H3GST101PO在4月份也參考執(zhí)行此方案，但該泵的振動(dòng)值在11月再次升高至4.4 mm/s，接近報(bào)警值4.5 mm/s，說明增強(qiáng)臺板剛度不能從根本上解決泵組振動(dòng)問題。

3.5 出入口管道應(yīng)力排查

2019年1月在2#機(jī)組大修期間，對泵組出入口法蘭進(jìn)行排查：復(fù)查聯(lián)軸器對中，發(fā)現(xiàn)H2GST201PO聯(lián)軸器間距為5.3 mm，超出2～4 mm的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)H2GST101/201PO外圓偏差分別為1.1 mm/1.9 mm(圖 7)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出0.05 mm的對中標(biāo)準(zhǔn)。打開兩臺泵的出入口法蘭，發(fā)現(xiàn)其中三道法蘭同心度偏差超過《GB50235Y2010工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》中規(guī)定的≤0.80 mm的要求，同時(shí)發(fā)現(xiàn)入口法蘭間距最大為7.15 mm，使用常規(guī)尺寸墊片無法滿足安裝要求。

圖7 法蘭應(yīng)力排查數(shù)據(jù)

分析導(dǎo)致泵組不對中的主要原因?yàn)槿肟诜ㄌm錯(cuò)位及軸向長度不足，由此對泵體產(chǎn)生拉伸及扭轉(zhuǎn)使其變形，進(jìn)而使聯(lián)軸器上揚(yáng)，并導(dǎo)致外圓及間距超標(biāo)。

對泵體進(jìn)行模型簡化，使用SolidWorks軟件對泵體進(jìn)行受力分析，模擬泵體出、入口管道法蘭間距偏大從而對泵體產(chǎn)生拉應(yīng)力的情況下對聯(lián)軸器位置位移的影響。從模擬結(jié)果可以看出，出、入口法蘭存在較大間隙時(shí)，給泵體帶來的額外作用力將導(dǎo)致其產(chǎn)生嚴(yán)重變形，圖8中可以看出聯(lián)軸器位置產(chǎn)生了最大的位移量1.612 mm，與實(shí)際測量數(shù)據(jù)較為接近，并且已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了聯(lián)軸器對中的0.05 mm標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)軸器不對中在泵運(yùn)行時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的振動(dòng)問題。

圖8 模擬受力后泵體變形結(jié)果

維修人員通過使用加厚墊片及調(diào)整法蘭等維修方法，保障泵殼不受額外應(yīng)力作用，最終設(shè)備再鑒定合格，H2GST101PO泵組振動(dòng)值最大為2.04 mm/s，H2GST201PO泵組振動(dòng)值最大為1.34 mm/s。隨后在3臺機(jī)組大修期間對另外6臺泵組采取相同處理方法，處理后泵組振動(dòng)均保持穩(wěn)定，截至2020年7月，該電廠8臺GST泵組未再次出現(xiàn)泵組振動(dòng)高超過報(bào)警值情況，且處理后泵組各個(gè)位置振動(dòng)值大部分有所降低，說明解決管道應(yīng)力能夠解決GST泵組振動(dòng)問題。出入口法蘭處理前振動(dòng)值見表3、出入口法蘭處理后振動(dòng)值表4。

表3 出入口法蘭處理前振動(dòng)值

表4 出入口法蘭處理后振動(dòng)值

基于上述檢修數(shù)據(jù)分析，由于法蘭間距過大，需要通過緊固作用下將泵體向法蘭位置拉動(dòng)才能滿足密封要求，從而對泵殼及固定臺板產(chǎn)生拉力及變形，使泵組聯(lián)軸器對中發(fā)生變化，且降低固定約束的剛度，導(dǎo)致泵組振動(dòng)值偏高。

3.6 結(jié)論

經(jīng)過上述各類振動(dòng)原因分析及試驗(yàn)，判斷泵組出入口法蘭安裝不到位，使泵殼受到額外載荷產(chǎn)生變形，影響泵組對中及固定約束剛度，是最終導(dǎo)致泵組振動(dòng)超標(biāo)的主要原因。

4 處理措施

4.1 管道連接安裝標(biāo)準(zhǔn)控制

在《GB50235Y2010工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中對于與泵連接管道安裝標(biāo)準(zhǔn)有明確要求：管道與動(dòng)設(shè)備的連接應(yīng)符合下列規(guī)定[7]：

1)與動(dòng)設(shè)備連接前，法蘭平行度和同心度允許偏差應(yīng)符合表5法蘭連接要求。

表5 法蘭連接要求

2)管道系統(tǒng)與動(dòng)設(shè)備最終連接時(shí)，應(yīng)在聯(lián)軸器上架設(shè)百分表監(jiān)視動(dòng)設(shè)備的位移。當(dāng)動(dòng)設(shè)備額定轉(zhuǎn)速大于6000 r/min時(shí)，其位移值應(yīng)小于0.02 mm；當(dāng)額定轉(zhuǎn)速小于或等于6000 r/min時(shí)，其位移值應(yīng)小于0.05 mm。

在水泵安裝及檢修過程中常常忽略此項(xiàng)國標(biāo)要求，通過此次振動(dòng)分析，后續(xù)在分析類似振動(dòng)情況時(shí)，要充分考慮管道給水泵帶來的影響是否符合國標(biāo)要求，消除可能影響泵組振動(dòng)的不利因素。

4.2 改造泵軸承室固定支架

由于管道安裝為聚四氟材料墊片(安裝壓縮量約為20%)，因此會(huì)對泵體產(chǎn)生一定的拉力，但泵殼的結(jié)構(gòu)無法進(jìn)一步加強(qiáng)，維修人員對泵軸承室驅(qū)動(dòng)端固定支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)(加厚為10 mm，同時(shí)在軸向增加肋板)，使泵體抵抗變形的能力加強(qiáng)。

5 總結(jié)

通過分析、試驗(yàn)，找出導(dǎo)致該電廠定子冷卻水泵振動(dòng)高的根本原因是管道安裝偏差導(dǎo)致的拉力及變形引起聯(lián)軸器不對中，在后續(xù)水泵振動(dòng)處理中要重點(diǎn)分析與檢查出入口法蘭的安裝質(zhì)量，尤其是剛度較小的泵組，更應(yīng)該重視管道對泵體的作用力是否符合國標(biāo)要求，這樣才能夠在最大程度上消除管道配置過程所受到的應(yīng)力[8]。

管道安裝偏差問題在工程安裝階段就已發(fā)現(xiàn)，但未引起足夠的重視，導(dǎo)致泵組日常期間頻繁發(fā)生振動(dòng)高問題，通過很長時(shí)間才找到根本原因。這也說明重要設(shè)備的安裝階段偏差處理要嚴(yán)格控制，為日常良好運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障。