多级立式离心泵振动高问题解决方法及应用

欧阳资义

（广西防城港核电有限公司，广西防城港 538001）

0 引言

核电站ACO（给水加热器疏水回收系统）的设计是为了使第3 级和第4 级低压给水加热器壳侧产生的冷凝水能够受控排出，且能够更充分地利用这些疏水的热量，以提高给水的初始温度，提高机组的热循环效率。其疏水方式是用专用疏水泵将疏水打入第3 级和第4 级低加之间的凝结水主管道，这种方式可减少疏水热损失，提高经济性。

核电站1#、2#机组共有4 台ACO 低加疏水泵。自安装调试以来，该电站1#、2#机组ACO 电机非驱动端均存在振动高的问题。现场采集了4 台ACO 泵的最大振动值，具体数据见表1。

表1 1#机组和2#机组ACO 泵组 振动数据 mm/s

该核电站ACO 低加疏水泵为筒袋型、立式、7 级离心泵，泵转子长5 m，电机轴长1.7 m。泵额定流量197.7 m3/h，扬程189.3 m，出口压力1.84 MPa，工作温度117.3 ℃。ACO 泵组的空载、带载振动值的报警值分别为2.8 mm/s 和4.5 mm/s。从表1 可以看出，1#、2#机组4 台ACO 泵的振动值均超过报警值。

1 原因分析

现场采用频谱仪测量4 台ACO 泵组振动频谱，均显示为一倍频，有结构共振的特征。泵组的运行工频如图1 所示，项目组现场采集的4 台ACO 泵组的固有频率见图2：1ACO301PO、1ACO302PO、2ACO301PO 和2ACO302PO 的固有频率分别为26.8 Hz、27.0 Hz、26.4 Hz 和26.9 Hz，泵组的工作频率为25 Hz。

图1 泵运行主要特征频率

图2 泵敲击固有频率

4 台ACO 泵的固有频率均接近工频25 Hz，理论上符合泵组结构共振的特征。经过多次现场调研，项目组对导致泵组共振的原因进行分析，找到5 条可能因素，分别为电机支架刚度不足、泵组连接螺栓松动、水泥灌浆基础松动、泵组动不平衡量超标和泵支架刚度不足。项目组对5 条可能因素逐一进行了排查验证。

1.1 电机支架刚度不足

项目组对ACO 电机支架进行重新设计加工，将电机支架壁厚从12 mm 增加到16 mm，将开窗大小由350 mm×550 mm 减小为300 mm×530 mm，电机筒体由锥形改为直筒型，同时其内侧增加周向6 条24 mm 厚约75 mm×650 mm 的加强筋。

将改造后的电机支架安装至1#机现场，测量现场ACO 泵组固有频率及带载试验结果：1ACO301MO 和1ACO302MO 的固有频率分别为25.6 Hz 和25.7 Hz，振动值分别为32.0 mm/s 和14.6 mm/s。由于更换加强型的电机支架后ACO 泵组振动值不降反升，因此只增加电机支架的强度无法改善泵组振动值。

1.2 连接螺栓松动

项目组按照设备维修运行手册标准逐项对设备各处螺栓力矩进行了校验，

泵组各连接螺栓力矩值均满足标准。

结论：ACO 泵组各连接螺栓无松动情况。

1.3 水泥灌浆基础松动

现场测量4 台ACO 泵组的水泥台板振动值，在试验位置1ACO301PO、1ACO302PO、2ACO301PO 和3ACO302PO，振动值分别为0.03 mm/s、0.05 mm/s、0.04 mm/s 和0.05 mm/s。以上数据表明，4 台ACO 泵组的水泥台板振动值均满足标准，所以ACO 泵组水泥台板灌浆无松动情况。

1.4 泵组转子质量不平衡

将2ACO301PO 泵转子拆出，外送动平衡厂家进行校正。校正结果满足G1 标准后，将转子回装至现场，进行再鉴定试验。泵组启动后，测量振动值为7.1 mm/s，与动平衡校正前的振动值（7.6 mm/s）相比基本无变化。所以，泵组振动高与转子质量不平衡无关。

1.5 泵支架刚度不足

为了验证泵组支架刚度不足的因素，项目组设计制作了临时金属支撑杆，安装在泵支架上，提高泵支架刚度，观察泵组振动是否有变化。

对4 台ACO 泵组安装支撑杆后，测量泵组固有频率，并进行泵组再鉴定试验（表2）。

由表2 可知，在泵支架上安装支撑杆进行加强后，泵组固有频率均偏移工作频率（25 Hz）10%以上，振动值均降低至4.5 mm/s 以下。可见，现场验证泵组存在支架刚度不足的问题，并导致泵组结构共振。

表2 安装支撑杆后泵组固有频率及振动值

1.6 泵组共振原因

由上述分析可知，导致ACO 泵组产生共振的原因为泵支架刚度不足。

2 解决方案

基于上述分析，为解决泵支架刚度不足造成的泵组共振，项目组制定了两种解决方案，分别为：①更换刚度更高的泵支架；②采用较轻的电机，并更换止口尺寸对应的电机支架。

2.1 更换为刚度更高的泵支架

2.1.1 方案分析

创造模拟模型对泵组进行分析。模拟模型建模参照设计总图重心位置建立，通过调整密度使结构重量重心高连接刚度接近实际模型。对于进出口管道，分别采用100 kg 质点模拟依附于管口法兰质量。总结构图纸质量5320 kg 外筒体直接挂在基础上。主要质量包含：外筒体825 kg，基座650 kg，电机架404 kg，出水壳体1221 kg，导叶壳体882 kg，诱导轮室54.4 kg，联轴器84 kg，直管段334 kg，转子252 kg，推力轴承155 kg，上轴115 kg，内壳体56 kg，导流体56 kg，轴封室33 kg，套筒联轴器17 kg 及其他零件约181 kg 分布于导叶体、直管段、出水壳体上各取60 kg，内壳体与轴封部件合计89 kg，套筒联轴器与上轴合计132 kg。

模型总质量5320 kg 与图纸重量一致，电机质量1.6 t，重心高参考680 mm，含电机总结构重6.92 t（图3）。

图3 泵组模拟图

对电机设置单独底座，与泵体分别安装在泵座上，泵座按照原来的1.65 倍放大，同时将地脚螺栓增加为8 个。模态计算分析结果见表3。由分析结果可知，当电机设置单独底座、泵支架按照原来的1.65 倍放大时，共振振型下的固有频率计算为29.8 Hz，37.9 Hz，其固有频率提高了33%和41.4%。

表3 模态计算分析结果

2.1.2 实施成本分析

项目组多次进行现场调研，实施该方案，需对泵支架、吐出座、泵筒体等进行改造及更换，其工作量基本等同于更换整泵，备件制造工期预计6 个月，现场改造实施工期预计3 个月，电站大修窗口无法满足，实施成本过高。

从成本角度分析，方案1 理论上可以解决泵组振动高问题，但实际成本消耗过高，可实施性低。

3、表面平整，有防水防潮处理措施，外墙勒脚做防水处理高度不低于0.6米。当采用灰浆抹面时，抹面层干净整洁，没有明显龟裂、空鼓、剥落现象。当外墙采用清水砖墙时，进行勾缝处理。

2.2 更换采用较轻的电机，并更换止口尺寸相对应的电机支架

2.2.1 方案分析

对模拟模型进行调整，将固有频率调整至22 Hz、25 Hz 附近，调整后的模拟图见图4。

图4 模拟模型调整至22 Hz 和25 Hz 附近固有频率

根据调整后的物理模型，采用同样设置参数进行固有频率计算。模拟的4 种方案分别如下：

方案1：采用初始的电机，选用电机重量1.60 t，重心高参考680 mm。

方案2：采用较轻的电机，选用电机重量1.27 t，重心高参考570 mm。

方案3：采用强化电机架，选用电机重量1.60 t，重心高参考680 mm。

方案4：采用强化电机架，选用电机重量1.27 t，重心高参考570 mm。

工作转速1480 r/min，共振点频率24.67 Hz，实际敲击固有频率为（22.5 Hz、26.5 Hz 和27.5 Hz）。

实际共振区间取间隔10%即为22.2～27.13 Hz（实际结构敲击测试的固有频率结果规定避开率为10%）。各物理模型模态计算结果见表4。

表4 各物理模型模态计算结果

所以，只有采取强电机架配轻电机时，其计算的第三、第四阶固有频率最低可达27.13 Hz 以上。因此建议按照“强电机架配轻电机”的模型解决共振问题。

2.2.2 实施成本分析

“强电机架配轻电机”的改造方案，即方案4：采用较轻的电机，并更换止口尺寸相对应的电机支架。改造成本分析如下：

（1）工期成本：备件加工工期3 个月，现场施工工期5 d。

（2）备件成本：新电机备件金额3 万元，新电机支架金额1万元，合计4 万元。

（3）人力成本：更换新电机及新支架，现场施工需人员4 人，计算人力成本约1.4 万元。

采用方案4 实施改造时，每台泵组仅耗费成本约5.4 万元，可以接受。

3 改造效果

确定最终实施方案后，项目组持续督促厂家生产轻型电机及配套支架，并安排组内成员赴厂监造，保证电机的生产质量。

在电机到厂后，在大修窗口分别将4 台新电机、新支架安装至现场并进行试验。泵组带载运行，振动值比改造前有大幅降低，达到卓越值（表5）。

表5 改造后的泵组振动值

通过上述方案改造，该核电站ACO 低加疏水泵振动高问题得到彻底解决，该技术方案验证可行。

4 结论

引起多级立式离心泵振动高原因很多，项目组在处理过程中排除了螺栓松动、对中不良、润滑不良、基础不牢等多种因素，最终将原因锁定在泵支架刚度不足。在制定处理方案时，通过综合对比方案的实施效果、实施成本，制定了更换轻电机及配套电机支架的解决方案。在方案实施过程中，项目组严格把关，确保电机生产质量。最终新电机安装到现场带载运行时，振动值达到优越值，成功解决该核电站ACO 泵组振动高的问题，保障了机组的安全稳定运行。