秦山二期反应堆冷却剂泵现场动平衡试验

肖孝锋，肖 建

（中核核电运行管理有限公司，浙江  海盐  314300）

秦山二期反应堆冷却剂泵现场动平衡试验

肖孝锋，肖 建

（中核核电运行管理有限公司，浙江  海盐  314300）

基于核电厂反应堆冷却剂泵（简称主泵）的现场动平衡试验原理，描述了秦山二期扩建工程3、4号机组主泵在调试过程中发生振动高的异常情况，利用泵组自带振动监测系统，通过频谱分析和诊断，确定为不平衡故障，并采用现场动平衡法进行处理，使主泵振动状态达到良好水平的过程，为同类型主泵的动平衡处理提供了一定的借鉴经验。

反应堆冷却剂泵；动平衡；振动；频谱

核电厂反应堆冷却剂系统的主要功能是使冷却剂循环流动，将一回路反应堆堆芯中核裂变产生的热量通过蒸汽发生器传递给二回路系统。反应堆冷却剂泵作为一回路的重要设备，是核电厂唯一的核一级泵，其设备状态的优劣直接影响核电厂的安全和运行。

秦山二期扩建工程3、4号机组的主泵在调试运行初期，3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO均出现不同程度的轴振动高问题，在热停堆状态时主泵的轴振动位移最大值达到214 μm，经现场测试及专家分析，通过动平衡法有效降低了主泵轴振动水平。文章对动平衡试验的原理及现场应用进行了描述。

1 振动监测系统概述

1.1 主泵简介

秦山二期采用CNP600堆型，共4个机组，每个反应堆有2台主泵，均是由三菱重工制造的100D型立式单级离心泵[1]，带有可控泄漏轴密封装置，由6 kV三相感应式电动机驱动。正常运行时在压力15.5 MPa和温度293 ℃下工作，流量24 290 m3/h，扬程91 m。主泵泵体和电机通过刚性联轴器进行连接，在泵联轴器位置装有在线振动监测系统及速度监测系统。主泵转动部件由水泵转子和电机转子组成，其中水泵转子约2 413 kg，电机转子约16 538 kg，水泵转子与电机转子先单独在动平衡机进行了动平衡试验，然后在出厂试验时做轴振试验，以保证主泵轴振动在可接受范围内，同时计算出各主泵动平衡试验时的加重影响因子及相应的相位滞后角，以利于今后的现场动平衡试验。

1.2 振动监测系统简介

秦山二期每台主泵配有一套反应堆主泵振动监测系统，3、4号机组采用的是德国Epro公司的MMS6000系统。每套包含2个速度传感器、2个位移传感器、1个键相传感器以及现场转接盒及其信号通道、信号处理系统等。

2个速度传感器用以监测电动机轴承的振动，互成90°安装在电动机壳体下法兰上，一只与主泵出口管嘴的方向平行，另一只与主泵出口管嘴的方向垂直。2个位移传感器为非接触式电涡流式传感器，互成90°安装在泵驱动轴联轴节高度的托架上，安装方向与速度传感器的方向相反，在泵运转的所有阶段中，自动监测泵联轴器轮毂的静态间隙和动态振动。位移传感器输出的直流电压信号对应于轴静态位置，输出的交流电压信号对应于轴的振动幅值。键相传感器也是一个电涡流传感器，其型号与位移传感器相同，两者可以互换，安装在两个位移传感器中间，通过检测泵轮毂中的键槽，提供泵转速信号以及用于动平衡的相位信息。键相信号和振动信号通过现场转接盒将信号传至信号处理系统，处理卡件经过处理后变成4～20 mA信号送主控或者用于现场频谱分析仪测试，主控可实时监测主泵的振动幅值，提供记录或报警。振动监测系统布置示意图如图1所示。

1.3 振动测量与分析

图1 振动监测系统布置示意图Fig.1 Layout of vibration monitoring system

秦山二期3、4号机组4台主泵在调试运行期间，均利用在线振动监测系统对振动进行监控，表1为4号机组1号主泵（4RCP001PO）在不同压力和温度下的振动情况[2]，从表1中可以看出，在不同环路温度及压力下的轴振动幅值有较大变化，这种变化主要由热不平衡引起，而电机轴承振动幅值则变化不大。

由于在线监测系统仪表仅提供振动幅值，无法提供振动频谱，因此在进行故障分析时需接入振动分析仪（DP1500便携式测振仪）对主泵振动进行频谱分析。图2为4RCP001PO在状态4下的轴振动频谱分析图，从图中可以看出造成轴振动的频率主要为一倍频分量25 Hz，占85%以上，由此推断振动主要原因是由不平衡原因导致。监测共发现有3台主泵的振动水平较高，经频谱分析后均实施了动平衡试验，有效解决了振动问题。

表1 4RCP001PO各状态参数Table1 Parameters on different condition of 4RCP001PO

图2 4RCP001PO轴振动频谱Fig.2 Shaft vibration spectrum of 4RCP001PO

2 动平衡试验原理

2.1 不平衡概述

如果转子刚体是均匀对称的，绕对称中心轴转动，则各点离心力相互抵消。由于转子本身组织不均匀或是加工误差、装配等造成质量偏心等都会引起旋转轴线的偏移，从而导致不平衡。例如一个薄圆盘，若是质量分布不均，不能相互抵消平衡，就可以产生不平衡力，总效果是相当于某一个方向上多出一个当量的不平衡质量。对于长轴物体，如水泵转子可看成多个不平衡圆盘的组合，不平衡质量的分布呈空间曲线形式。

2.2 动平衡原理

转子因质量不平衡引起的离心力[3]，总是可以分解为作用在两个已知平面上的两个力（见图3）。设想将某一截面mn分作两部分，它可能产生下列3种不平衡情况：①两部分的重心C1、C2处在同一轴向水平切面内，并在转轴同一侧（见图3b），这种情况为静不平衡；②两部分的重心C1、C2处在同一轴向水平切面内，但在轴线两侧（见图3c）。这时，转子静力是平衡的，但转动时，C1、C2组成一个力偶，这种情况为动不平衡。即不平衡力只有在转动时才呈现出来；③一般情况下，重心C1和C2可能在两个不同的纵向切面内（见图3d）。转动时，一个由离心力G1和G2所组成的力系将作用在物体上，这个力系可分解为一个力偶和一个径向的力，也即动、静都不平衡。

动平衡的目的是平衡不平衡力和力矩，由于转子上的平衡是分布式的，在转子上存在多个不平衡力，可以分别向任选的两个面简化，这两个面即通常我们所说的校正面。通常不平衡量可以由矢量来表示，符号为U，单位通常为g·mm。如图4所示，转子不平衡量在两个校正面上分别为U1和U2。根据上述转化，只需要在两个校正面上加上两个校正量，来平衡不平衡量和，就可实现平衡。即：W1＋U1＝0，W2＋U2＝0。

图3 转子质量不平衡状态Fig.3 Mass imbalance state of rotor

图4 转子不平衡量的简化图Fig. 4 Brief drawing of rotor imbalance quantity

3 秦山二期3、4号机组主泵动平衡试验

3.1 试验工况

动平衡试验的工况应当最接近主泵的正常运行工况，因此一般在热停堆工况下进行。从前面1.3节分析可知，主泵不平衡虽然主要原因是由质量不平衡引起，但还有很大一部分原因是热不平衡，这是导致在不同工况下振动不同的主要原因。

3.2 试验限制参数

为保证动平衡试验顺利进行，且不对主泵轴承振动带来大的影响，根据主泵运行维修手册，须对一些试验参数进行限制。

1) 如果动平衡试验时主泵轴振动超过250 μm，则报警；超过381 μm时必须立即紧急停泵。

2) 如果动平衡试验时电机轴承振动超过50 μm，则报警；超过76 μm时必须立即紧急停泵。

3) 如果主泵电机轴承振动在50 μm且振动增加速度达10 μm/h，轴振动在250 μm以上且大轴振动增加速度超过25 μm/h，立即紧急停泵。

4) 主泵电机（6 000 V高压）说明书规定在连续启动时，如果电机是全速运行，两次启动之间至少间隔20 min，如果电机是静止的则至少间隔45 min，在2 h内启动不能超过3次，如果在2 h内试行启动了3次或3次启动以后，必须让电机运转60 min或者静止135 min使其冷却。

3.3 试验过程

1) 首先测量主泵原始振动，设为A0。根据原始振动计算不平衡质量及方位。首次加重可以根据经验公式 P=KAWg/Rω2选取，式中，K为经验数据，一般取0.002～0.004；A为振动双振幅，μm；W为转子重量，kg；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；R为加重半径，m；ω为角速度，ω=2πf，f为工作频率。根据经验，一般主泵动平衡采用单平面动平衡试验方式，加重面选择在泵端联轴器，可取试加重量400～800g，取试加重为M0。

2) 测量试加重后的振动，设为A1，可以算出在转子试加重M0所产生的振动矢量AM=A1-A0，因此影响因子φ为：φ=AM/M0（A1-A0）/M0。

3) 根据影响因子，计算修正重量M1，M1=M0/φ，停泵加修正重量M1。

4) 重新启泵至试验工况，测量振动数据，若振动状态良好则停止试验，否则重新计算修正重量，重复步骤3）。

3.4 试验结果

秦山二期3、4号机组主泵在工厂性能试验时就已进行过动平衡试验，并把在工厂试验工况下的联轴器螺栓处的加重影响因子记录在完工报告中，为了减少现场动平衡试验主泵启停次数，提高一次性成功率，可根据完工报告中的加重影响因子来计算现场首次加重。

3、4号机组在初次运行时有3台主泵（3RCP001PO、4RCP001PO、4RCP002PO）的振动水平较高，根据上述加重影响因子，对3台主泵进行了动平衡试验，经过一次试验加重后均达到理想振动状态。

4 经验总结与建议

1) 平衡手段不是解决振动的唯一方法[4]，只有在认真分析振动原因，确定是由不平衡故障引起时（经验上一倍频要占总振动值的85%以上）才可以对设备实施动平衡。

2) 影响主泵振动的原因主要有流量、温度、压力等因素，因此设备试验工况应尽量接近正常运行工况，此外对于主泵，轴封水流量对泵本身振动情况也有较大影响，在进行动平衡试验时，应尽量使每次的轴封水流量基本相同，且与正常运行时的流量一致。

3) 引起主泵振动的原因很多，特别是热变量对动平衡的影响较大，当一倍频分量中包含较大的热变量时，泵启动至状态稳定需较长的时间，振动数据采集应在泵的状态稳定后（包括轴封水流量和轴承温度）方可进行。建议每隔一段时间记录一组数据，根据经验一般在试验工况稳定运行半小时后振动幅值和相位趋于稳定。

4) 若计算出平衡质量过大时，应考虑将矢量分解。一个螺栓上的配重量不宜超过1 500 g。当主泵联轴器平衡面上已有较多平衡块时，应综合考虑原有的平衡块，尽可能减少平衡面的配重，若难以实施，可选择惯性飞轮作平衡面。

5) 在进行主泵动平衡试验时，应充分利用历史数据。如上述3台主泵现场动平衡试验均根据完工报告中的加重影响因子来进行计算，较精确的计算出设备首次加重，提高了一次性成功率，有利于减少启停泵次数，因此泵组出厂前的性能试验对现场运行有极其重要的意义。

6) 建议在振动监测系统软件中增加频谱分析模块，有利于实时监测主泵的振动状态，且在现场动平衡时不必临时接入频谱分析仪。

5 结束语

秦山二期3、4号机组在调试运行期间共有3台主泵进行了现场动平衡试验，虽然这些试验过程主要由生产厂家负责，但是经过1、2号机组多年的试验研究，秦山二期核电站的技术人员已经可以自力更生，独立自主的解决主泵振动问题，掌握了主泵故障原因分析及后续处理的相关技术，为各机组商运后主泵的安全稳定运行奠定了坚实的基础，也为同类型主泵的振动动平衡处理提供了一定的借鉴经验。

[1] MHI. 秦山二期扩建工程主泵完工报告[R]，2009．(MHI. Completion Report on the Primary Pump of Qinshan II Expansion Project[R], 2009.）

[2] MHI. 秦山二期扩建工程3、4号机组主泵振动测量报告[R]，2011．（MHI. Report on Primary Pump Vibration Measurement for Unit 3 & 4 of Qinshan II Expansion Project[R], 2011.）

[3] 吕群贤．反应堆主泵现场动平衡[J]．核动力工程，2002，23（3）：63-68．（LV Qun-xian. On-site Dynamic Balance of Reactor Coolant Pump[J]. Nuclear Power Engineering, 2002, 23(3):63-68.）

[4] 赵振宇. 岭澳核电站主泵动平衡[J]．中国设备工程，2011，04：32-34.（ZHAO Zhen-yu. Dynamic Balance of the Primary Pump in Ling Ao NPP[J]. China Equipment Engineering, 2011, 04:32-34.）

Dynamic Balancing Test on the Site of Reactor Coolant Pump in Qinshan II

XIAO Xiao-feng，XIAO Jian
(CNNC Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China)

Based on the principle of dynamic balancing of reactor coolant pump, the paper describes that when the high vibration status occurred for the reactor coolant pump, vibration spectrum is used to diagnose the unbalance fault via the vibration monitoring system, dynamic balancing process on site has been performed to reduce the reactor coolant pump vibration in a normal level during the commissioning operation of Qinshan II Unit 3 & 4, and the disposing experience is useful for the dynamic balancing of reactor coolant pump of the same type.

reactor coolant pump; dynamic balancing; vibration; spectrum

TL37  Article character：A  Article ID：1674-1617(2014)02-0145-05

TL37

A

1674-1617(2014)02-0145-05

2013-12-05

肖孝锋（1981—），男，湖南衡山人，工程师，硕士，主要从事核电设备采购与管理工作。