核电站立式泵-电机振动高设计改进

柯 啸



核电站立式泵-电机振动高设计改进

柯 啸

（中广核阳江核电有限公司，广东阳江 529500）

阳江核电站1号机组低压安注泵/安全壳喷淋泵电机在调试期间，4台电机均出现不同程度振动超标情况，为解决该型号电机振动的共性问题，电厂采用根本原因分析法对电机振动原因进行逐项分析。通过增强电机强度、改变电机定转子间隙、更换轴承配合形式等方法并结合频谱分析，最终解决了电机振动超标问题。通过根本原因分析法及试验，解决了该型号电机设计中电机支撑板刚度不足、轴承选型搭配不合理、转子共振等问题，为后续同型号电机生产提供了指导。本文主要介绍了针对电机振动高的处理过程与结果，对该类型电机振动的原因进行了深入分析。

核电站；泵-电机；振动；根本原因分析法

低压安注和安全壳喷淋（RIS/EAS）系统是核电站反应堆重要的专设安全设施，低压安注泵和喷淋泵组是RIS/EAS系统的重要组成部分。阳江核电站1号机组的低压安注泵和安全壳喷淋泵组是CPR1000核电机组首次进行国产化替代的设备，该类型电机在1号机组调试期间频繁出现电机振动超标问题。本文主要介绍了针对电机振动高的处理过程与结果，对该类型电机振动的原因进行了深入分析，通过对设备进行改造和结构优化，解决了该型号电机振动的共性问题，提高了机组的安全稳定性。

1 电机振动故障现象

阳江核电RIS/EAS电机属同类型设备。在1号机调试期间4台电机空载试验非驱动端轴承振动均出现不同程度的超标现象，最大振动值达11.5mm/s（振动验收标准≤2.8mm/s），并伴随有明显的“嗡嗡”异响。

现场主要异常情况如下：

1）冷态不振，热态振。电机运行初期振动良好，运行一段时间后，电机振动加剧，逐渐上升并超过标准。

2）铁地不振，工装振。电机在制造厂内试验时，在铁地空载试验结果合格，但运输至现场进行空载时振动超标。

3）负载不振，空载振。电机在带泵运转情况下振动良好，但电机空载期间振动异常。

2 故障原因分析

根据电机振动特点初步分析：

1）冷态不振，热态振。在电机运行一段时间后，轴伸端轴承可能存在润滑不足，导致轴承滚子与滑道相对滑动，引起电机振动。

2）铁地不振，工装振。原电机轴承结构支撑下的电机转子运转过程中，可能某一频率的扰力与模拟试验工装固有频率接近，引起共振，导致电机振动超标。

3）负载不振，空载振。根据立式电机转子支撑结构特点，空载下转子处于自由悬浮状态，没有足够的预加载荷，导致电机自激振动。

对造成电机振动的原因采用根本原因分析 法[1]进行分析，见表1。

表1 故障原因分析表

（续）

可能的故障模式支持的证据反对的证据可能性 油脂不足加油时电机振动有所减小①润滑油增多导致轴承温度升高，从而油膜更容易形成；②现场润滑油非常充足时振动仍较高。低 油脂过量油脂加注较多，轴承温度有所升高，但缓慢平稳下降轴承油脂补充至集油盒内有油脂排出时停止低 共振 转子共振无电机转子是刚性转子，工作转速远小于其一阶临界转速低 转子与电机本体共振①现场使用敲击法测量电机下机架处固有频率约在23～28Hz，与转频比较接近；②厂家模拟工装频谱测试数据最大振动值出现在工频52Hz接近2倍转频。无高

3 改造过程

针对电机振动根本原因分析法中可能性较高的几项原因，现场逐一进行了试验改进。

基础刚度改进：电机支撑板刚度不足及连接刚度低。主要改进项目是：①电机定子机座；②机座与法兰端盖一体设计；③电机支撑板增加加强筋[2]；④增大电机底板连接螺栓力矩值。

3.1 基础刚度改造情况

1）电机支撑板增加环形加强筋，以改变系统刚度（如图1和图2所示）

（a）改进前的支撑板

（b）改进后的支撑板（图中圈内改进后环形加强筋）

图1 支撑板改造前后

2）电机机座增加加强筋

改造后试验情况：空载振动超标，负载振动3台合格，1台振动3.9mm/s。

3）增大电机支撑板与基础连接力矩

电机安装法兰M27螺栓紧固力矩由80N·m改为500N·m，基础底架与基础底板安装处M45螺栓紧固力矩由256N·m改为616N·m，现场试验证明，螺栓力矩增大后电机振动值减小[3]。

3.2 轴承选型搭配不合理及共振问题改进

从前一阶段改进电机“冷态不振，热态振；铁地不振，工装振；负载不振，空载振”的振动特点分析，认为导致电机振动超标的根本原因是：电机轴承选型不合理，结构上抗扰能力差。最终确定将驱动端轴承由圆柱滚子轴承NU224改为深沟球轴承6224，将法兰端盖止口尺寸由1000调整为900。定转子气隙由1.8mm改为2.3mm。

1）改进轴承选型搭配

原设计采用驱动端圆柱滚子轴承，非驱动端深沟球轴承的配对形式。该配对选型在立式电机上使用的案例较少，这样定位的转子在立式运转中有钟摆式转动趋势，不利于转子的稳定运行。从带载（轴系增加了约束）情况下振动很好可以得到验证，改进后两端采用深沟球轴承，很好地实现了转子的径向约束，有利于稳定运转。

电机伸端分别采用圆柱滚子轴承和深沟球轴承频谱测试，当电机工作频率为25Hz时，采用圆柱滚子轴承比采用深沟球轴承振动值大[4]。

2）将电机法兰端盖止口尺寸由1000mm调整为900mm

从电机振动特点和频谱分析看出，电机振动频率接近电机固有频率，从改变系统固有频率着手。将接口法兰止口尺寸由1000mm改为900mm，在模拟工装上分别进行振动测量。分析发现1000mm时，最大振动值出现在工频52Hz即转频26Hz；900mm时，最大振动值出现在工频43Hz即转频21.5Hz。试验结果表明支撑系统最大振动值出现的工频由52Hz改变为43Hz，有效避开了电机的转子工作频率（24.75Hz），且振动速度值由9.2mm/s下降到1.3mm/s。

3)电机定转子气隙改进：将电机定、转子气隙值由1.8mm改为2.3mm，减少电磁扰力[5,7]

首次起动空载试验电机振动超标时，电机返厂解体检查发现电机转子中部和非驱动端一侧的硅钢片发现整圈划痕。检查定子上并无相应划痕，扩大气隙有利于减少电磁扰力，增强转子运转稳定性[6]。

4 改造后验证

1）轴承寿命计算

SKF公司对换型后轴承计算，结果轴承寿命大于10万h，满足技术规格书要求。

2）抗震分析结果

对安注泵、喷淋泵电机进行抗震分析计算，结果满足相关规范和技术规格书要求。

3）频谱测试

改进后将电机安装在基础底架与基础底板上，进行频谱测试，系统特征频率为22Hz，远离电机轴频为25Hz，避开共振频率。

4）电机试验情况

改进后根据试验大纲，完成了各项试验项目，电机各项性能指标满足技术规格书要求。

安注泵-电机性能参数对比见表2。

表2 安注泵-电机性能参数对比

（续）

性能参数标准值改进前（试验值）改进后（试验值） 堵转转矩/额定转矩/（N·m）0.801.151.00 最大转矩/额定转矩/（N·m）2.002.242.65 振动/（mm/s）≤2.300.900.40 噪声/dB(A)≤85.0076.2074.40

表3 喷淋泵-电机性能参数对比

5）泵组试验

现场进行对泵机进行小流量及全流量试验，试验结果合格见表4。

表4 泵组试验验证

5 结论

本文针对核电站安注/安喷立式电机振动特点，采用根本原因分析法，逐一进行分析验证，结合电机结构改造及试验确定了通过增加电机结构强度，改变轴承选型、增大紧固力矩及扩大转子气隙的方法，解决了电机振动大的问题。引起立式电机振动的原因种类很多，通过采用根本原因分析法，系统性地分析所有可能的原因，为后续同型号电机生产提供了指导，也为现场处理电机振动问题提供经验借鉴。

[1] 陈剑. 火力发电厂电气设备状态检修实例分析[J]. 电气技术, 2014, 15(10): 134-136.

[2] 徐建国. 大型高速电机轴向振动的分析和处理[J]. 电机技术, 2013(4): 38-39.

[3] 徐礼超, 郑松林. 缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动影响的试验研究[J]. 机电工程技术, 2006, 35(10): 37-39.

[4] 李忠勤. 浅析电机轴承选用[J]. 微电机, 2008, 41(7): 78-81.

[5] 王聪, 关新, 谭骏, 等. 永磁同步电机弱磁性能参数的有限元分析[J]. 电气技术, 2015, 16(7): 16-19, 26.

[6] 吴胜男, 唐任远, 韩雪岩, 等. 磁致伸缩引起的非晶合金铁心振动解析计算及影响因素[J]. 电工技术学报, 2016, 31(20): 73-82.

[7] 范坚坚, 吴建华. 极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机气隙磁场解析计算及参数分析[J]. 电工技术学报, 2010, 25(12): 40-47.

Improvement of Vertical Pump-motor Vibration Design for Nuclear Power Station

Ke Xiao

(Yangjiang Nuclear Power Station, Yangjiang, Guangdong 529500)

Yangjiang Nuclear Power Station unit 1 safety injection pump-motor, the motor occurred with high vibration during the trial process. In order to solve the common problem of the motor vibration of the model, the root cause analysis method was used to analyze the motor vibration. The problem of excessive motor vibration was virtually solved by increasing the motor strength, changing the motor stator and rotor clearance, replacing the bearing form, and meanwhile combining with spectral analysis. During the motor design, problems such as insufficient stiffness of motor support plate, inappropriate lectotype of bearing, resonance of rotor has been solved by root cause analysis and the related experimental. This paper described the process and result of the high vibration of motor, and analyzed the root-cause of motor vibration.

nuclear power station; pump-motor; vibration; root cause analysis method

柯 啸（1987-），男，阳江核电有限公司，机械部设备管理工程师,从事机电设备管理工作。