核电用泵振动问题

王胜坤

摘 要：针对核电站泵类设备存在的振动问题进行原因分析，按泵组设计、制造与安装、外部因素三方面进行总结并提出解决方案。结果表明，泵组设计合理、生产制造无缺陷，并且设备安装满足要求，运行工况与设计工况相吻合，可以减轻泵组振动。对频谱分析法解决振动问题进行介绍，合理利用可有利于振动问题的解决。

关键词：振动；泵；设计

中图分类号：TB535 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0058-02

Abstract： Based on the analysis of the vibration problems of pump equipment in nuclear power plant， the paper summarizes the pump group design， manufacture and installation and external factors， and puts forward the solutions. The results show that the pump group has reasonable design， no defects in production and manufacture， and the installation of the equipment meets the requirements， and the operating conditions are consistent with the design conditions， which can reduce the vibration of the pump group. The paper introduces how to solve the vibration problem by spectrum analysis， and the reasonable utilization can be helpful to solve the vibration problem.

Keywords： vibration； pump； design

1 概述

根據各国能源结构调整要求，核电建设迎来新发展。核能属于清洁能源，相对于传统火电，不会向大气中排放污染物质造成空气污染，无碳排放不会加重温室效应；相对于其他清洁能源有能量密度高、运营成本低、不受季节和气候影响等优点，能以额定功率长期稳定运行，满足基荷电源可靠、经济、充足和清洁四大要求，是能够替代化石能源基荷电源的最佳选择。

核电站泵类设备包括核安全级与非安全级，泵的型式包括离心泵、屏蔽泵、容积式泵等，两个机组共计200余台。核电建设严格按项目三级进度计划执行，安装调试时间短，而泵类设备在现场调试问题多，尤其是振动问题原因复杂，不易解决。核电站部分泵无备用泵，振动过大不仅影响运行工况及泵组寿命，如需停泵检修，甚至会影响核电站的效益与安全，所以泵组可靠稳定运行尤为重要。本文对核电用泵振动问题普遍原因进行分析并提出解决方案。

2 振动级别及判定方法

泵类设备技术规格书对振动要求一般引用ISO 10816-1《在非旋转部件上测量评价机器的振动》与JB/T 8097《泵的振动测量与评价方法》，通过泵组中心高与转速确定类别，根据类别和振动级别（一般要求B级）确定振动考核值。振动指标一般为振速，部分设备考核振速及振幅。核电泵类设备一般考核全流量的振动值，针对不同流量，设置不同振动考核值（如：0.7Qn1.2Qn，v≤4.2mm/s）。

3 泵组振动原因分析及消除振动的措施

3.1 泵组设计原因

（1）叶轮设计。叶片数量、叶片出口角、叶片宽度、叶轮出口与蜗壳隔舌的距离等参数应设置合理，避免流量扬程曲线驼峰与水力损失过大；应优化导叶、蜗壳、流道设计，保证流场稳定，减少能量损失。

（2）汽蚀振动。当泵的入口压力低于相应水温下的饱和压力时，会产生伴随剧烈振动的汽蚀现象。核电用泵在技术规格书中已规定有效汽蚀余量，所以泵组设计时应采取措施保证必需汽蚀余量小于该值，具体包括：采取双吸叶轮；叶轮前加诱导轮；进水流道设计平滑；优化叶轮材质或进行涂层处理。

（3）轴/转子的设计。应尽量降低泵轴长度，适当加大泵轴直径，避免刚度不足、挠度过大；多级泵应考虑增加泵轴支撑轴承数量，减小支撑间距；轴的固有频率应避开电机转子角频率；适当提高转子动平衡级别；平衡盘间隙与轴向窜动量调整应设计合理，避免轴低频窜动引起轴瓦振动。

（4）高温介质、海水介质泵的设计。输送高温介质的泵，应考虑设计暖泵系统或操作中控制升温速度，避免部件变形及在启动过程中剧烈振动；输送高温介质的泵，应考虑设计应力释放系统，如地脚螺栓上增加螺栓套；输送高温介质的泵，在对中方面应考虑温度补偿量；输送海水等含颗粒物介质的泵，应考虑水利部件选材及间隙控制。

（5）特殊设计。核电泵类设备振动问题比较集中，易出现在多级泵、立式泵，针对此提出设计建议如下：立式泵应注意泵底座以及支架（如电机支架、齿轮箱支架）强度设计，避免因为结构强度不足导致振动增加，此类设备随设备运行时间增加，振动容易加大；针对多级泵，应考虑转子结构设计紧凑，尽量降低轴的长度，也可考虑加支撑轴承。

3.2 制造、安装原因

（1）制造质量。保证零件结构尺寸及加工精度同设计一致；保证铸件质量（如叶轮应避免质量偏心而影响动平衡），不得有孔洞、裂纹、质量不均匀的情况出现；确保静平衡、动平衡满足要求；多级泵装配时注意累积误差，避免安装间隙过大，造成轴向窜动或平衡力不足而产生振动。

（2）基础质量。混凝土基础不得有裂纹、空洞、松软等现象，尺寸、强度应符合设计要求；混凝土蜗壳泵的蜗壳为混凝土结构，相当于泵壳，需满足泵设计方提出的要求，避免混凝土掉渣而影响泵组振动；基础与泵组底座接触固定应起到吸收、传递振动的效果；基础重量应为泵和电机等机械重量总和的三倍以上；尽量避免使用弹性基础；确保地脚螺栓孔灌浆质量及螺母拧紧；尽量保证泵与电机共用底座，底座与基础最好为面接触。

（3）对中与调平。泵组现场安装应确保泵轴、联轴器、电机轴对中良好，保证泵进出口与管道对中（可在连接后卸下紧固件，检测自由状态下同轴度），减小内应力；确保管道支架质量，管道和阀门等重量和附件力矩不应作用在泵组上；保证底座平整度与接触面接触比例，确保关键接触部位不出现虚角；正确使用垫铁找平。

3.3 外部因素

（1）电机因素。避免因电机振动超标而影响泵组整体振动超标，可通过电机端振动值变化趋势监测。电机结构设计应合理，尽量避免冷却器造成的质量偏心或电机底座设计不合理而产生的振动；保证磁力中心线对中。

（2）联轴器。确保联轴器紧固螺栓质量均匀以及螺栓间距相同；弹性柱销和弹性套圈结合不宜过紧；联轴器与轴的配合间隙不宜过大；厂内已组装好的泵组应在现场安装后对联轴器对中进行复测。

（3）管路。进出口管路振动超标会影响泵组振动超标，具体原因包括：管路不畅导致出口管路较高处或出水阀门上部存留空气，形成气囊，使管路中水流阻力增大，形成水击现象引起管道振动，应考慮在出水管高处设置排气阀；因吸水管口淹没深度不够或吸水管漏气，导致管道进气引起振动；进水口滤网破损或水质脏导致杂物进入泵组，造成叶轮流道堵塞而发生汽蚀引起振动。

（4）运行方面。应尽量保证泵的实际运行工况点同设计工况点吻合；应尽量避免小流量/大流量工况长期运行；应注意泵组启停时与阀门的配合使用。

4 振动问题分析手段

重要核电站泵类设备，设置振动高报及高高报值，每个振动测量点会设置三个方向的振动探头实时采集振动值，根据振动值大小及振动趋势判断是否需采取措施。

对现场振动问题的处理，如经简单排查无问题，一般会采取频谱图进行分析。根据振动数据采集和信号分析仪形成各个测点的频谱图，根据频谱图显示的特征，结合实际工作经验，可初步判断振动发生的主要位置，再分析产生振动的原因，制定相应消振措施。

5 结束语

泵组振动原因复杂，可能是自身设计因素，可能是生产制造因素，也有可能是外部因素导致。在振动问题处理过程中应秉承由外到内，由简到繁的原则查找原因。

实践证明，保证泵水力性能设计合理、零部件加工精度满足要求、现场施工安装按程序进行、运行工况符合设计要求，可有效降低泵组振动值。

随着振动监测工具的普及以及故障诊断体系的形成，使得泵组振动问题的处理更为科学、精准，有效保障了核电站泵类设备安全稳定运行。

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