核电站重要水泵电机振动异常原因分析及对策

赵鹏

(哈尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江 哈尔滨150000)

核电站重要水泵电机就是人们常说的SEC 泵,其作用主要是进行海水冷却循环,为核岛提供冷水水源,可以理解为是一个安全系统,即便是在核电站反应堆停止的时候,重要水泵电机也是持续保持运转的,如果该设备停止运行,将会给核电站造成巨大的损失,甚至造成严重灾难。而振动情况则是评价核电站重要水泵电机运行可靠度的一个重要指标,由此可见,对电机泵振动异常原因进行分析并对该类危害加以控制解决,是十分有必要的。

1 重要水泵电机结构介绍

核电站的重要水泵电机属于大型立式的单级、单吸离心泵设备,泵机的吸入口是垂直向下设置的,吐出口则是水平伸出的,为了能够具备足够的抗压能力,泵本体还进行必要的密封处理,同时配备有油脂润滑的滚动轴承,联轴器构件为膜片,采用非刚性连接方法。泵组采用双基础结构,电机与电机泵分别位于不同的基础结构,其中电机的支架安装基础相对较高,泵本体则安装在较低的基础结构部位。这种结构设置方法,大大提高了立式泵的自振频率,确保了机组运行的有效性。另外,重要电机泵的泵盖也安装在泵体上,二者形成液体流动腔体,共同承载水泵运行压力。其中泵盖上还设置有密封腔,并连接有轴承支架,用以支撑转子,一个轴承支架包括两个轴承腔,泵压水室的结构为双蜗壳形式,可以最大程度平衡径向力。具体的重要水泵电机结构外形图如图1、图2 所示。

图1 SEC 泵外形图

图2 SEC 泵结构图

2 核电站重要水泵电机振动异常的特征

导致重要水泵电机出现振动的原因是多方面的,为了能够有针对性地对这些原因加以分析,就需要采取专业试验方法对设备进行必要检验,尤其是对于刚出场的新设备而言,更应该严格进行质量检验,防止残次品投入市场。根据现有文献资料显示,核电站重要水泵电机振动异常的特征主要表现在以下几个方面:

其一,水泵在大流量工况的时候,运行通常正常,而流量较小的时候反而会存在振动异常问题。实际就某核电站的一台重要水泵电机进行检测,发现其在大流量条件下,设备性能符合要求,运行效率可靠,且噪声和振动也都在允许范围内,但是当小流量运行的时候,其他方面都符合要求,振动状态超出标准范围。在泵机轴承支架的轴承位置进行检测,得到设备振动速度最大能达到4.0mm/s,与此同时,还测量德大欧泵机入口处管路的振动数值,为3.5-4.1mm/s,还有电机支座位置的振动数值,测得为3.0mm/s。可见小流量工况下电机水泵振速更加明显。其二,泵机在同一工况条件下,如果运行方向不同,其振动值也会表现出一定差异。检测分析发现,当处于小流量工况状态的时候,测量泵轴承是振动数据,能够得出,不同圆周方向的振动值各不相同,且测量结果具有重复性。其三,在专业团队人员的实验下还发现,核电站重要电机的振动频谱同样具有一定规律特征:比如频率与泵的叶频有关联关系,当频率与叶频一致的时候,一般就是振动值达到最高的时候,而且泵机系统还会存在和叶频较为接近的整体模态,容易造成系统共振现象。再比如频率与轴频以及其倍频也存在一定关联,一般在二倍频位置频谱出现峰值的几率较高。此外,实验中振动频谱也会夹杂一些其它频谱成分,实验后分析发现,泵机在多频率状态下,产生的结构模态共振,其峰值对应的频率,来源比较广泛,包括蜗壳以及叶轮等。

3 针对核电站重要水泵电机振动问题所采取的处理措施

常见的引起重要水泵电机振动问题的原因比如有驱动电机轴干涉影响、高速旋转部件过多,导致设备动能不平衡、或者流体作用影响等。有时候还有可能多种原因同时作用,振动情况较为复杂,因此,相关设备检测维护人员需要从多角度出发,具体情况具体分析,对可能引发振动异常的原因进行综合性考量,然后有针对性采取处理措施,具体而言可以从以下几个方面入手:

3.1 试验台架振动处理

振动台架的振动产生几率较大,而且一般都和试验管路一同发生振动,所以解决问题的时候也需要将二者同时进行处理。具体方法如下:可以在泵脚的支撑位置增加加强筋数量,并在试试验管路位置增加固定支撑,以增强管路的刚性性能。同时还可以在出口管路部位增加使用膨胀节,以达到消除泵体所受管道作用的效果。考虑到试验管路内还有可能因为存在气体而引发振动,所以可以在管路最高位置增加放气阀,同时,又考虑泵入口处流体回流影响,在泵进口管路处可以增加几块呈十字型分布的导流板。通过上述一系列措施,能够改善泵的试验条件,消除了试验管路及试验台架的振动,泵的振动虽有一定的改善,但仍不满足要求。在排除了外部试验条件对泵振动的影响后,需从泵结构查找原因。

3.2 泵结构振动处理

频谱分析揭示通过改变叶频来改善泵振动情况,但改变叶频需对泵的叶片数或者转速进行调整,不符合实际情况。通过查阅资料,对比同类泵的结构及试验数据,并对泵的结构进行分析,认为与同类泵相比,泵轴承体略显单薄,应加强轴承体刚度,改进泵振动状况。随后,对轴承体重新设计,通过增加轴承体的厚度和设置加强筋,增强轴承体刚度,泵在更换轴承体后进行试验,振动值明显减小,振动速度下降到2.7mm/s,满足要求。图3 所示为轴承体修改前后的对比图。

图3 轴承支架对比图

3.3 制造偏差处理

将振动异常的泵进行解体,对泵转子重新做动平衡试验,动平衡结果证明满足要求；检查泵体密封环、泵盖密封环的间隙,间隙值也符合技术要求,且间隙分布均匀；再对泵体进行检查,发现由于铸造偏差,泵体的隔板端部与隔舌端部不对称,同时隔板端部延伸至基圆内,造成叶轮与蜗壳之间间隙减小,隔舌端部的铸造偏差也造成了隔舌角度变化。为消除泵体铸造偏差的影响,以泵体基圆为基准,对隔板和隔舌进行修整,使隔板端部与隔舌端部对称,打磨隔板和隔舌端部,使其光滑过渡,以符合设计要求。修整泵体后,重新装配进行试验,在小流量工况下,泵的振动明显减小。

4 结论

总而言之,重要水泵电机作为核电站的重要设备,其运行状态将直接影响核电站的安全性和经济性。根据上文所述可以总结得出,改善水泵电机振动问题,应考虑最小流量系统合理选型、最小流量阀以及降压孔板的合理利用、控制泵组性能曲线走势,应保证斜率要求、泵组设计方面,要充分考虑现场电网频率实际条件和潜在风险。以上这些经验,日后可以为其它核电项目主给水泵组在设备设计、制造、运行方面提供参考。