核电站风机振动故障分析及处理

刘明利，付江永，王新阳

（山东核电有限公司，山东 烟台 265116）

0 引言

风机是核电站不可或缺的一部分，在送风、排风、提供微压空间等方面起着至关重要的作用，如风机发生故障将影响发电机组安全运行。本文针对一起核电站风机振动超标的案例，对采集的振动数据运用频谱分析的方法找出了振动原因，应用动平衡的方法对振动进行了治理，确保了机组安全运行。

1 故障现象

某核电站排风机组运行期间振动超标，并且电机的振动还存在波动的现象。为了维持保健物理区及热机车间处于微负压，必须保证该排风机处于长期运行。该排风机组设A/B两列，一运行一备用。其中A列风机电机振动处于较高水平，且振动存在波动现象，致使仅B列风机运行，从而失去备用，对发电机组安全运行造成了较高的风险。经过对电机进行振动测量，轴承的水平方向及轴向振动超过ISO10816－3振动标准所要求的4.5 mm/s，风机轴承振动较小，满足标准JB/T 8689—2014《通风机振动检测及其限值》规定的挠性支撑条件下7.1 mm/s要求［1］。该风机机组的电机通过皮带驱动风机运行，电机转速为 1 494 r/min，风机转速为 1 608 r/min，电机与风机安装在同一基础上，并由钢弹簧隔振器支撑。风机机组示意图如图1所示。

图1 风机机组示意图

2 振动分析及故障诊断

2.1 振动数据采集

通过便携式振动采集仪对风机和电机分别进行了振动测量，风机的电机振动较大，超过振动标准，风机本体振动较小，具体数据见表1。

表1 风机机组振动测量数据表

由表1可以看出，电机的水平方向及轴向振动都超过振动标准4.5 mm/s，并且振动存在波动性。因此，对电机水平方向、轴向分别进行了振动实时监测并进行趋势分析，波动曲线如图2所示。

图2 电机自由端轴向振动变化时域图

为进一步了解振动情况，对风机的电机振动信号进行频谱分析，结果如图3所示。

经过频谱分析，其振动主要分量为电机转速频率24.9 Hz及风机转速频率26.8 Hz，并且经过在线连续监测发现，风机转速频率26.8 Hz发生较大波动，波动范围与表1中范围一致。这就说明电机振动波动主要是由风机引起的。

2.2 振动数据的分析

2.2.1 对频谱中频率24.9 Hz的分析

24.9 Hz为电机的转速频率，其幅值较高是由于电机转子中不平衡量过大导致。为了消除不平衡量，采取对皮带轮进行一次动平衡治理［2］。

2.2.2 对频谱中频率26.8 Hz的分析

26.8 Hz频率为风机的转速频率，其产生的原因是风机转子不平衡。根据振动传递的理论，该频率成分应该引起风机侧振动较大，但实际表现为电机侧振动较大且存在波动。针对这一现象，梳理出引起振动大且波动的原因可能为机械松动、拍振、间歇性共振等，分别进行具体分析。

图3 电机自由端轴向振动频谱

1）机械松动。机械松动一般包括基础结构框架松动和各零部件配合间隙超差引起的松动。机械松动会引起振动忽大忽小的变化，其本质是由于松动引起了刚度的非线性。松动导致的振动除基频外，还会产生高次谐波及分次谐波，并且振动波动不存在规律性的变化。

2）拍振。拍振是一种多个振源系统相互干涉的振动现象，是两种频率接近、幅值也比较接近的两个扰动因素共同产生的合成扰动现象。拍振能产生忽大忽小的振动波动，其机理为：当两个相近频率相位相同时，振幅增大；当两个相近频率相位相反时，振幅减小。

3）间歇性共振。考虑到电机与风机整体坐落在钢弹簧隔振器上，在电机带载运行时，一方面由于机组激振力变大，另一方面由于机组质量分布不均匀，电机侧质量大于风机侧质量，使得风机侧的钢弹簧隔振器的压缩量略大于风机侧，机组运行中发生微小晃动。随着设备在运行中的晃动，其系统刚度发生间歇性变化，从而引起固有频率的变化，当固有频率与振动频率接近时发生共振，引起振动增大。

根据以上原因分析，对基础结构框架、零部件、支撑弹簧进行检查，并同时查找周围是否存在运行的同类设备。经过排查发现，基础结构框架与零部件的配合较好，周围也没有运行的同类设备，支撑弹簧刚度存在问题的可能性较高，需要做进一步的分析及调整。

2.3 振动故障诊断

经过对振动数据的分析，故障主要分为两个方面：24.9 Hz为电机的转速频率，其幅值较高，主要是由于电机转子中不平衡量过大导致；经过对现场基础结构框架、零部件、支撑弹簧的检查，最终确定引起频谱中频率26.8 Hz振动故障的主要原因是风机基础的支撑弹簧刚度存在不足或者不均衡，需要做进一步调整。

3 振动治理

3.1 对电机侧皮带轮进行动平衡

在进行动平衡前首先对皮带轮重新安装，保证对中在合格范围内［3］。启机试转，利用振动分析仪表进行动平衡前的数据采集，振动数据如表2所示。对皮带轮进行动平衡，测量不平衡量的位置，通过3次去重，动不平衡完成后振动测量结果如表2所示。其中去重后电机自由端轴向振动频谱如图4所示，从频谱图可以看出，经过动平衡后，电机转速频率成分明显下降。

表2 去重前后振动测量数据

3.2 调整弹簧的支撑刚度

3.2.1 固有频率测量

对弹簧支撑处附近进行了固有频率测量，频谱如图5所示。从固有频率频谱中可以看出，固有频率为28 Hz，离电机的转速频率24.9 Hz和风机的转速频率26.8 Hz区域较近，容易产生共振。为了避免发生风机机组共振，作进一步弹簧的调整。

3.2.2 调整弹簧支撑

对弹簧支撑重新安装，检查各连接螺栓的连接情况，并按照技术规格书要求对各螺栓的力矩进行控制。同时，增大了电机侧4个弹簧支撑的压缩量，弹簧向下压缩量均增加了0.5 cm。通过固有频率测量，固有频率上升至31.2 Hz，与风机转速频率之差扩大，降低了共振的可能性。弹簧调整后固有频率测量结果如图6所示。

图4 去重后电机自由端轴向振动频谱

图5 弹簧调整前固有频率

图6 弹簧调整后固有频率

经过调整弹簧支撑后，启动风机机组，再次进行振动测量，电机振动最大值为2.2 mm/s，风机振动最大值为3.1 mm/s，振动值均在合格范围之内，并且电机的振动不存在波动性。具体测量结果如表3所示。

表3 弹簧调整后振动测量数据

4 结语

本文针对某核电站风机机组振动故障，介绍了故障数据采集、数据分析、故障诊断、振动治理等过程，为风机振动故障处理提供了思路，尤其对较为复杂的多原因振动故障提供了方法，在工程实践中具有借鉴意义。