核電廠懸臂式風(fēng)機(jī)振動(dòng)周期性波動(dòng)問(wèn)題的研究

陶佳林

（核電運(yùn)行研究（上海）有限公司設(shè)備可靠性研究所，上海 200126）

0 引言

風(fēng)機(jī)在核電廠的正常運(yùn)行中承擔(dān)著重要角色。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，受到現(xiàn)場(chǎng)安裝、設(shè)備本體加工精度、設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行等各種因素的影響，經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣的振動(dòng)問(wèn)題。大量實(shí)踐表明對(duì)于皮帶傳動(dòng)的懸臂式風(fēng)機(jī)，除了最常見(jiàn)的不平衡問(wèn)題外，周期性波動(dòng)也是較為常見(jiàn)的一種振動(dòng)問(wèn)題。某核電廠以安全殼排風(fēng)機(jī)B（MA-02B）為代表的4 臺(tái)風(fēng)機(jī)反復(fù)出現(xiàn)周期性波動(dòng)振動(dòng)問(wèn)題。這些風(fēng)機(jī)設(shè)備處于輻射控制區(qū)內(nèi)，反復(fù)處理振動(dòng)問(wèn)題對(duì)輻射劑量控制存在有一定的隱患。

因此，以MA-02B 風(fēng)機(jī)為典型對(duì)象，通過(guò)振動(dòng)時(shí)域和頻域分析方法，結(jié)合設(shè)備故障機(jī)理分析和設(shè)備維修歷史對(duì)比，對(duì)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，確定了振動(dòng)主要原因，徹底解決該振動(dòng)問(wèn)題，提高了設(shè)備可用性和可靠性。

1 風(fēng)機(jī)概況及存在問(wèn)題

核電廠安全殼排風(fēng)機(jī)在機(jī)組正常運(yùn)行期間，向安全殼內(nèi)提供間斷的室外氣流，凈化過(guò)濾安全殼內(nèi)氣體放射性。在機(jī)組冷停堆時(shí)，提供連續(xù)供氣，降低人員進(jìn)入時(shí)的放射性風(fēng)險(xiǎn)，是放射性控制的重要設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量安全殼排風(fēng)機(jī)B 的振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)自由端水平方向和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸向方向振動(dòng)相比其他測(cè)點(diǎn)其他方向大，并且振動(dòng)表現(xiàn)為明顯的周期性波動(dòng)特征，其中電機(jī)自由端水平方向波動(dòng)范圍為6.2～9.7 mm/s，驅(qū)動(dòng)端軸向方向波動(dòng)范圍為7.3～9.8 mm/s，波動(dòng)周期均為10 s 左右。

2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題分析

根據(jù)振動(dòng)處理的思路：①對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量特征進(jìn)行細(xì)致分析，結(jié)合故障形成機(jī)理，判斷出可能故障原因；②結(jié)合靜態(tài)安裝特征和工單歷史進(jìn)行印證分析；③定位故障原因并確定其置信概率高低。對(duì)該懸臂風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特征、靜態(tài)特征和工單歷史檢查分析如下。

2.1 動(dòng)態(tài)測(cè)量特征

動(dòng)態(tài)測(cè)量特征主要有：①相比較其他類(lèi)型設(shè)備振動(dòng)特征，風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端存在明顯的軸向振動(dòng)；②時(shí)域方面：風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)自由端水平方向和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸向方向振動(dòng)有明顯的波動(dòng)情況，波動(dòng)周期約為10 s；③風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)自由端水平方向振動(dòng)明顯高于垂直方向振動(dòng)，差別達(dá)到400%以上。

2.2 靜態(tài)安裝特征

靜態(tài)安裝特征：①風(fēng)機(jī)整體坐落在彈簧基礎(chǔ)之上，風(fēng)機(jī)的電機(jī)部分側(cè)裝在風(fēng)機(jī)箱體上，屬于典型的懸臂式風(fēng)機(jī)；②風(fēng)機(jī)的葉輪部分與電機(jī)部分是皮帶連接，屬于非剛性直聯(lián)；③風(fēng)機(jī)框架為10 mm 厚的鋼板焊接而成，電機(jī)安裝基礎(chǔ)則為5 mm厚的C 型鋼板（相比框架剛度，電機(jī)安裝基礎(chǔ)C 型板剛度比框架剛度薄弱）。

2.3 檢修工單歷史特征

檢修工單歷史特征主要有：①該設(shè)備歷史上也存在振動(dòng)異?，F(xiàn)象，經(jīng)過(guò)更換皮帶后，振動(dòng)有所下降，但3 個(gè)月后振動(dòng)又重新上漲；②風(fēng)機(jī)空載振動(dòng)小于1.0 mm/s，帶載后振動(dòng)上漲，最高達(dá)到9.8 mm/s；③調(diào)整風(fēng)機(jī)皮帶輪對(duì)中后，振動(dòng)略有下降，但不明顯。

2.4 問(wèn)題分析

2.4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸向振動(dòng)

該風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在明顯的軸向振動(dòng)，說(shuō)明該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在軸向的激振力，該軸向振動(dòng)往往與不對(duì)中有關(guān)，不對(duì)中的產(chǎn)生原因及其特征表現(xiàn)：

造成不對(duì)中的原因主要有3 種：制造誤差、安裝誤差以及其他運(yùn)行影響。

（1）制造誤差。在聯(lián)軸器或皮帶輪加工過(guò)程中，由于工藝或測(cè)量等原因造成端面與軸心線不垂直或不同心。這種情況的聯(lián)軸器處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩，但這個(gè)彎矩的大小和方向不隨時(shí)間及運(yùn)行條件的變化而變化，只相當(dāng)于在聯(lián)軸器處施加了一個(gè)不平衡力，其結(jié)果是在聯(lián)軸器附近產(chǎn)生較大的1 倍頻振動(dòng)，可通過(guò)加平衡塊的方法容易消除[1]。

（2）安裝誤差。由于安裝過(guò)程中，導(dǎo)致聯(lián)軸器兩端的兩個(gè)連接面不平行或不同心量過(guò)大，造成對(duì)中不良。當(dāng)連接面平行但不同心時(shí)，主要引起徑向振動(dòng)，并且振動(dòng)頻率主要以1 倍頻和2 倍頻為主[2]，同時(shí)也存在多倍頻的諧波振動(dòng)，不對(duì)中越嚴(yán)重，2 倍頻所占的比例越大。當(dāng)連接面不平行但同心時(shí)，主要導(dǎo)致軸向振動(dòng)較大，振動(dòng)頻率為1 倍頻，可通過(guò)校正安裝誤差容易消除。

（3）其他運(yùn)行影響。除了以上原因外，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中由于溫度等因素造成的不對(duì)中，其主要原因有：基礎(chǔ)受熱不均；機(jī)組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形；地基下沉不均等[3]。該情況下一般會(huì)與機(jī)組振動(dòng)與工況和運(yùn)行時(shí)間有明顯的相關(guān)性，并且往往隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，振動(dòng)會(huì)快速上漲，并且上漲到一定量時(shí)趨于穩(wěn)定。

結(jié)合該風(fēng)機(jī)靜態(tài)安裝的特點(diǎn)：設(shè)備通過(guò)皮帶連接，非剛性直連，判斷風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪和電機(jī)側(cè)皮帶輪存在不對(duì)中的可能，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備對(duì)中情況示意

結(jié)合工單歷史：調(diào)整風(fēng)機(jī)皮帶輪對(duì)中后，振動(dòng)略有下降，但不明顯，表明風(fēng)機(jī)對(duì)中情況的調(diào)整和優(yōu)化，有利于風(fēng)機(jī)振動(dòng)水平的改善，靜態(tài)不對(duì)中可能是故障原因之一，但并不是主要原因。

2.4.2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)波動(dòng)

風(fēng)機(jī)振動(dòng)有明顯的波動(dòng)情況，波動(dòng)周期約為10 s。通常風(fēng)機(jī)振動(dòng)表現(xiàn)為有規(guī)律的波動(dòng)，往往與拍振有一定的關(guān)系，拍振產(chǎn)生的原因及其特征：

通常系統(tǒng)中存在兩個(gè)頻率略有差別的振源時(shí)，由于周期相差不大，每過(guò)一個(gè)周期兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)的相位差就會(huì)有較小的變化，隨著時(shí)間的推移，相位差會(huì)由0°到360°作周期性的變化，振動(dòng)幅值呈現(xiàn)出隨時(shí)間時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，拍振在波形上特征較為明顯，如圖2 所示。

圖2 拍振波形圖

對(duì)于拍振的處理，一般從三方面進(jìn)行消除：①隔斷振動(dòng)傳遞路徑，如改變?cè)O(shè)備支撐情況；②使兩個(gè)頻率分隔，如改變皮帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備的皮帶輪大小，使得兩激振頻率離開(kāi)足夠的距離；③減弱分振動(dòng)的強(qiáng)度，如對(duì)不平衡的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行精細(xì)動(dòng)平衡，降低分振動(dòng)強(qiáng)度。

2.4.3 綜合分析

結(jié)合設(shè)備靜態(tài)安裝特點(diǎn)：皮帶連接風(fēng)機(jī)和電機(jī)部分的皮帶輪大小相同，考慮受皮帶輪加工精度影響，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率和電機(jī)運(yùn)行頻率可能存在細(xì)微差別以及皮帶通過(guò)頻率的倍頻與電機(jī)/風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)頻接近，也可能產(chǎn)生拍振。

結(jié)合工單歷史：經(jīng)過(guò)更換皮帶后，振動(dòng)有所下降，但一段時(shí)間后振動(dòng)又重新上漲。表明皮帶是風(fēng)機(jī)振動(dòng)的其中一個(gè)敏感因素，皮帶隨著時(shí)間運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生磨損，可能會(huì)引起激振力的增加，導(dǎo)致振動(dòng)增加。

風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)自由端水平方向振動(dòng)明顯高于垂直方向振動(dòng)；通常同一測(cè)點(diǎn)不同方向振動(dòng)測(cè)量值會(huì)存在一定差別，一般情況小于3 倍。但當(dāng)振動(dòng)差別大于3 倍甚至是5 倍以上時(shí)，往往與共振有一定的關(guān)系。一般電廠風(fēng)機(jī)主要存在以下3 種共振相關(guān)的故障[4]：①轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速安全裕度不夠；②基礎(chǔ)不牢或支撐銹蝕裂紋；③軸承支撐設(shè)計(jì)剛度不足。

結(jié)合設(shè)備靜態(tài)安裝特點(diǎn)，設(shè)備電機(jī)安裝基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，水平方向和垂直方向的剛度差別較大，水平方向的固有頻率可能會(huì)接近風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行頻率，從而導(dǎo)致水平方向振動(dòng)較大。此外由于周期性波動(dòng)的頻率非常低（接近0.1 Hz），因此判斷如果產(chǎn)生共振，較大可能是電機(jī)基礎(chǔ)薄弱產(chǎn)生軸向搖擺引起。風(fēng)機(jī)周期性波動(dòng)激振力來(lái)源于皮帶輪之間動(dòng)態(tài)不對(duì)中引起的軸向作用力，主要原因?yàn)殡姍C(jī)基礎(chǔ)剛度薄弱，受到皮帶拉力后，引起電機(jī)支撐的細(xì)微變形，細(xì)微的變形使得原來(lái)電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間的平行對(duì)中狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生了起始的軸向作用力。

同時(shí)由于電機(jī)基礎(chǔ)剛度薄弱，產(chǎn)生軸向搖擺，頻率為波動(dòng)頻率，偏擺到最左側(cè)位置時(shí)，軸向正作用力最大；偏擺到中間位置時(shí)，電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪平行對(duì)中狀態(tài)恢復(fù)，無(wú)軸向作用力；偏擺到最右側(cè)位置時(shí)，軸向負(fù)作用力最大，從而在偏擺過(guò)程中作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)頻率即為波動(dòng)頻率。如果加強(qiáng)電機(jī)基礎(chǔ)支架剛度，將電機(jī)變形控制在可接受范圍內(nèi)，將避免原來(lái)電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間的平行對(duì)中狀態(tài)被明顯破壞，產(chǎn)生的軸向作用力將明顯減小。設(shè)備同時(shí)受到軸向作用力減小和電機(jī)基礎(chǔ)剛度增強(qiáng)的作用后，產(chǎn)生的偏擺簡(jiǎn)諧振動(dòng)即可明顯降低。

基于以上分析，對(duì)周期性波動(dòng)振動(dòng)原因判斷如下：

（1）電機(jī)基礎(chǔ)薄弱產(chǎn)生軸向搖擺現(xiàn)象。

（2）風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間存在靜態(tài)對(duì)中不良情況。

（3）風(fēng)機(jī)皮帶磨損老化。

置信概率分別是：原因1＞原因2＞原因3。

3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題治理

3.1 治理過(guò)程

根據(jù)設(shè)備振動(dòng)先易后難的治理原則，首先對(duì)設(shè)備對(duì)中進(jìn)行檢查調(diào)整以及更換皮帶，調(diào)整后振動(dòng)均未有明顯下降。后將電機(jī)5 mm 厚的基礎(chǔ)支撐板更換成10 mm 厚的基礎(chǔ)支撐板，更換后帶載測(cè)量，振動(dòng)波動(dòng)范圍從7.3～9.8 mm/s 下降至1.2～3.9 mm/s，下降接近60%，效果良好（表1）。

表1 安全殼排風(fēng)機(jī)B（MA-02B）振動(dòng)治理前后振動(dòng)數(shù)據(jù) mm/s

3.2 治理結(jié)果

將此治理方法應(yīng)用到其他皮帶傳動(dòng)懸臂式風(fēng)機(jī)的振動(dòng)治理中，發(fā)現(xiàn)更換電機(jī)基礎(chǔ)支撐板后振動(dòng)有明顯下降（表2）。

表2 其他3 臺(tái)安全殼排風(fēng)機(jī)振動(dòng)治理前后振動(dòng)數(shù)據(jù) mm/s

4 結(jié)論

通過(guò)采用加強(qiáng)電機(jī)基礎(chǔ)支架剛度，使得電機(jī)變形控制在可接受范圍內(nèi)，保證產(chǎn)生的變形不明顯破壞原來(lái)電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間的平行對(duì)中狀態(tài)，促使產(chǎn)生的軸向作用力明顯減小，并在軸向作用力減小和電機(jī)基礎(chǔ)剛度增強(qiáng)的共同作用后，達(dá)到明顯降低偏擺簡(jiǎn)諧振動(dòng)的目的。

給出分析方法和采取風(fēng)機(jī)振動(dòng)波動(dòng)治理方法是某電廠技術(shù)人員細(xì)致分析設(shè)備結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行特性，結(jié)合故障機(jī)理診斷進(jìn)行綜合分析的良好實(shí)踐，該方法通過(guò)在某電廠其他同類(lèi)風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用得到了充分的驗(yàn)證，對(duì)于皮帶傳動(dòng)懸臂式風(fēng)機(jī)周期性波動(dòng)問(wèn)題的處理有著重要的指導(dǎo)意義。