反应堆冷却剂泵振动诊断分析及处理

周 念

（中广核工程有限公司 广东深圳）

反应堆冷却剂泵（以下简称主泵）是反应堆冷却剂系统最重要的设备之一，其主要功能是使冷却剂循环流动，导出堆芯热量从而冷却堆芯[1]。该设备的运行状态对核电站的安全以及经济效益有着极其重要的影响。

某核电站在机组调试以及维修期间[2]，发现有两台主泵在启动过程中振动呈现增大的趋势，在到达热停平台后振动位移值分别高达175 μm和219.5 μm。通过对振动故障的诊断与分析，并进行动平衡试验，有效地改善了两台主泵的振动状态，保证了主泵的安全运行。

一、反应堆冷却剂泵和临时诊断测量装置简介

1.反应堆冷却剂泵

该核电站两台机组均采用CPR1000型反应堆，每台机组分别包含3个环路，每个环路各有1台主泵，用于驱动冷却剂在反应堆冷却剂系统内循环流动。两台机组的主泵皆选用立式、电动、单级离心泵，额定转数均为1485 r/min，电机轴承采用油润滑，定子绕组采用水冷却，叶轮为7枚扭曲叶片的整体铸件。为了监视主泵的运行状况，每台主泵均安装有在线振动监测系统。

2.临时诊断测量装置

在机组调试以及维修期间发现其中两台主泵发生振动异常，然而上述在线监测装置不能系统反映振动的波形、频率、相位以及轴心轨迹等参数，无法对泵的振动进行深入分析，不利于解决泵的振动问题，因而需要安装临时诊断测量装置，对泵的振动进行全面、科学的诊断分析。该装置由振动数据采集仪和6个振动传感器等部件组成，振动数据采集点布置如 图1所示。采集点①处两个振动速度传感器互成90°安装在主泵电机上轴承平面上，采集点②处两个振动速度传感器采用同样的方法安装在电机下轴承平面上，采集点③处两个振动移位传感器互成90°安装在电机与泵联轴器平面上。此外，在联轴器上贴有反光纸作为键相零位，同时利用激光转速仪采集相位信号。

二、振动数据测量以及故障诊断

1.振动数据测量

图1 主泵振动数据采集点布置示意图

1号主泵在调试期间振动出现异常，在冷态下启动主泵时振动较大，其轴位移达到140 μm左右；随着机组的上行升温升压，振动数值持续增大，当一回路达到热停平台时，振动数值到达175 μm左右，且在每次启停主泵时振动都有增大的趋势。

2号主泵在维修后启动主泵时，其轴位移达到190 μm左右；随着机组的上行振动数值持续增大，当一回路达到热停平台时，振动数值到达219.5 μm左右。

2.振动故障诊断

引起主泵振动的原因有很多，如支撑座刚度不足、联轴器缺陷、动静部件摩擦、转子热变形、转子不平衡等。每一种原因导致的故障都有其各自特征，而相同的振动特征可能是由不同的振动原因引起，只有正确分析导致泵振动的原因，对症下药，才能解决泵的振动问题，保证泵的安全、可靠运行[3]。

图2 主泵振动频谱图

通过临时测量装置采集泵的初始振动参数可有效定位引起泵振动的原因，由测量装置测得的两台主泵的频谱图如图2。

由图2可见，两台主泵的振动主频率均为25 Hz左右，而泵的额定转数均为1 485 r/min，振动的主频为与转速同步的工频分量。由此可知，引起该主泵振动的原因可能是转子不平衡、转子热变形、动静摩擦、支撑座刚度不足等。

对绘制的轴心轨迹图进行分析，可以发现两台主泵的轴心轨迹均为椭圆形，没有出现“8”字形或“香蕉”形波形，且曲线较为光滑没有明显毛刺，整个轨迹图为正进动状态，没有出现反进动状态。由此可以得出，联轴器对中不良以及动静摩擦不是导致该主泵振动的原因。

对绘制的波形图进行分析，可以发现两台主泵的振动波形均为正弦波，曲线较为光滑，没有出现毛刺现象，也没有出现削波、拍形波以及高低频混合波形的现象。由此可以排除动静摩擦、轴承损坏、相近频率振动等故障。

同时，当两台主泵运行在一个稳定状态时，振动的幅值以及相位均维持稳定，而在进行升温升压以及主泵的启停时振动均呈现上涨的趋势。可知，主泵转子存在一定的热变形。

此外，两台主泵配备的电机支撑于泵壳的接触面积在75%以上，电机的支撑座在上下高度相近的两点振幅差均＜8 μm，且在圆周上同一高度的两点振动几乎相等，电机绕组以及轴承各温度测点测得的温度一致，由此排除支撑系统刚度不足、膨胀不畅等故障。

通过上述分析发现振动故障具有如下特征：波形为正弦波，轴心轨迹为椭圆形，主频为与转速同步的工频分量，振动幅值和相位在稳定平台时较为稳定。综上可知，引起两台主泵振动异常的原因为转子不平衡以及转子热变形。

转子不平衡是旋转机械最常见的故障原因，通常采用动平衡试验的方法，在转子适当的部位上加重或去重，调整转子质心位置，以使不平衡力减小到能够满足泵稳定运行的条件。

针对转子热变形故障，通常采用热平衡的方法来处理。热平衡主要是在制定加重方案时兼顾考虑空载和满负荷下的振动，但通过对振动参数分析发现，负荷在变化时热变形的幅值变化较大，此外两台主泵处于刚开始运行状态，运行时间较短，无法判断长时间运行时热变形量是否稳定，因而不适合采用热平衡处理方法来处理。

针对上述原始振动和热变形量都较大的现象，可采取动平衡的方法将转子不平衡引起的振动减小，同时由热变形引起的振动也将随之减小[4]。因此，针对上述两台主泵的振动故障，采取动平衡的方法来处理是科学、合理的。

三、动平衡试验

动平衡前两台主泵的原始振动参数见表1。

动平衡基本思路是[5]：首先选定平衡转速，平衡转速必须是恒定的，再通过加重试验求出加重对振动的影响系数，进而求出应加的平衡质量。刚性转子（工作转速低于临界转速）动平衡通常需要两个平面，而上述两台主泵的转子失重面均为一个确定平面，可以采用单平面的平衡方法来处理。

根据主泵动平衡的经验，考虑各种不确定因素后，决定在1号、2号主泵联轴器处分别加配重846 g和790 g。试加配重后测得的振动参数见表2。

表1 主泵原始振动参数

表2 首次试加配重后振动参数

由表2可知，1号主泵在试加配重后，轴振位移从175 μm左右降至80 μm左右，振动得到有效控制，泵达到良好的运行状态，不需要再次添加配重；2号主泵的轴振位移从219.5 μm左右降至161 μm左右，振动得到一定改善，但轴振动位移仍较大，需要根据影响系数进行第二次添加配重。

2号主泵最终确定再添加1005 g的配重进行第二次动平衡试验，试验前后振动参数如表3所示。

由表3可见，2号主泵在第二次添加配重后，轴振位移从161 μm左右降至66.5 μm左右，振动得到进一步控制，保证了泵的安全运行。

四、结束语

振动是泵较为常见的故障，主泵作为反应堆冷却剂系统的重要设备，其安全、可靠的运行对核电站起着至关重要的作用。通过对核电站两台主泵振动的测量和诊断，分析了导致振动故障的原因，并通过动平衡试验，将两台主泵的振动降低到较低水平，保证了主泵安全可靠地运行，为核电站的安全和效率提供了保障。

表3 动平衡前后2号主泵振动参数

1 广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2004

2 赵振宇，高培.岭澳核电站动平衡[J].中国设备工程，2011，4：32～33

3 杨建刚.旋转机械振动分析与工程应用[M].北京：中国电力出版社，2007

4 姜元锋，傅汝楫，包玉宏.锅炉给水泵振动诊断及案例分析[J].机械强度，1987，6：6～12

5 王维民，高金吉，江志农，李燕.旋转机械无试重现场动平衡原理与应用[J]. 振动与冲击，2011，29（2）：212～215