核电站立式长轴泵电动机振动故障诊断及处理

付江永， 刘明利， 王鸿雁

(山东核电有限公司, 山东烟台 265116)

立式长轴泵在核电站中应用广泛，但由于其轴系长、重心较高、机座尺寸小等，容易引起其配套电动机产生结构共振。笔者利用频谱分析及固有频率分析方法，结合某核电站服务水泵配套电动机振动异常的案例，研究结构共振的机理，采取合理可行的处理措施，以寻求有效降低振动的方法，为今后类似问题的故障诊断及快速处理提供参考。

1 振动现象

1.1 泵结构

核电站服务水泵位于核电站循环水泵房内，从电站海水入口渠吸水，向设备冷却水系统的热交换器输送海水，在核电站停堆、热备用、启动和正常功率运行模式下，通过设备冷却水系统向核电站核岛内各种设备提供冷却。服务水泵为立式、单级长轴离心泵，配备立式空冷式电动机，联轴器采用刚性联轴器。水泵主要技术参数见表1，泵组结构及振动测点见图1。

表1 核电站服务水泵的基本参数

1—上轴承东西方向振动测点；2—上轴承南北方向振动测点；3—上轴承东西方向锤击位置；4—上轴承南北方向锤击位置；5—下轴承东西方向振动测点；6—下轴承南北方向振动测点

图1 泵组结构及振动测点示意图

1.2 振动测量

服务水泵组在调试期运行过程中出现配套电动机振动大故障，经解体检修未发现泵组本体缺陷，重新安装后振动依然无法降低。运行时泵组振动速度测量结果见表2，服务水泵电动机上、下轴承东西方向振动超过报警值(2.8 mm/s)。对电动机上轴承进行相位差测量及频谱分析，测得电动机上轴承南北和东西方向振动相位差为180°，电动机上轴承频谱图见图2，电动机下轴承频谱图见图3。

表2 服务水泵振动速度测量结果 mm/s

图2 电动机上轴承振动频谱图

图3 电动机下轴承振动频谱图

1.3 振动分析

由频谱分析可知，振动主要以1倍频为主，无其他故障频率，属于普通强迫振动[1]。对普通强迫振动而言，部件呈现的振幅与作用在部件上的激振力成正比，与其动刚度成反比：

A=F/K

(1)

式中：A为振幅；F为激振力；K为部件动刚度，表示部件产生单位振幅(位移)所需的交变力。

K=k/β

(2)

(3)

因此转子对不平衡的响应取决于两方面的因素：(1)不平衡激振力的大小； (2)转子系统动态特性，包括刚度、阻尼和固有频率。

1.3.1 不平衡激振力故障排查

从式 (1)中可以看出，激振力增加必然导致振幅增加。转子上激振力的来源主要有转子残余不平衡量以及电动机与泵的对中情况。经查看泵组出厂数据，电动机转子及泵转子均做过动平衡试验，数据均满足规范要求；选取电动机上轴承东西方向及南北方向进行振动相位测量，测点位置见图1中1、2点。经测量电动机上轴承南北方向与东西方向振动相位差为180°，不符合不平衡的振动特征，因此基本可排除不平衡故障。另一方面通过查看维修记录，电动机与泵联轴器对中控制在50 μm范围内，同时频谱中无不对中的故障频率，因此排除不对中产生激振力的可能。

1.3.2 系统固有动态特性分析及共振原因分析

由式(3)可知，当系统ωn接近或等于ω时，若阻尼较小，则β达到最小值，振动幅度将在外部激振力作用下变得非常大，即为共振。由表2可知，电动机上轴承东西方向振动明显大于南北方向振动。由于电动机为立式安装，电动机产生的激振力在南北方向及东西方向上一致，引起南北方向和东西方向振动差异的原因在于动刚度不同，现场电动机的支架在东西方向上存在检修口，并且布置了出水管道，这两方面的原因在一定程度上导致了东西方向和南北方向刚度的差异，进而引起了电动机南北方向和东西方向振动的差异。

锤击试验频谱见图4和图5。

图4 南北方向锤击试验结果

图5 东西方向锤击试验结果

基于以上分析，现场决定对电动机上轴承进行锤击试验以测量泵组固有频率[2]。由于泵组质量较大，进行锤击试验时需要较大的激振力，为防止过大的激振力损坏轴承，锤击试验测点选择在电动机上部轴承室下方的电动机外壳处(见图1中3、4点)。经测量，电动机上轴承东西方向固有频率为15 Hz，电动机上轴承南北方向固有频率为13 Hz。

泵组转速频率为16.5 Hz，泵组共振的避开率为±10%，即要求在14.85～18.15 Hz不应存在共振频率，而东西方向的固有频率为15 Hz，恰好落入此频率范围内，引起了结构共振。南北方向固有频率为13 Hz，与转速频率差值相比东西方向较大，振动较小。从固有频率的测量结果及振动测量结果分析，引起泵组系统东西方向振动大的原因可能为结构共振。

2 振动处理

如果存在结构共振，可以从改变刚度或改变参振质量来改变结构的固有频率[3]。 对于已有的结构而言，改变质量往往不现实，比较多的是从改变系统刚度着手。由于系统刚度除了与机架及基础本身刚度相关外，还与各结合面间的连接刚度有关，这种连接包含轴承座、端盖以及相关管道的连接状况。现场采取两种方案尝试改变固有频率：(1)增加泵组系统刚度以提高固有频率；(2)减弱泵组系统刚度以降低固有频率。

2.1 增强系统刚度试验

系统刚度包括各结合面的连接刚度以及支架的结构刚度[4]。为增强各结合面的连接刚度，一方面对电动机支架法兰面进行重新加工，在回装过程中使水平度控制在优秀水平；另一方面加大电动机与支架结合面、电动机支架与泵支架结合面连接螺栓的力矩。为了保证连接效果，对螺栓紧固次序进行严格控制，即同时紧固对角方位结合面上的螺栓，分1～3次均匀地增加紧力，逐步将螺栓同步紧固到位，可以有效防止端面连接不紧，同时避免法兰面受力不均。为增加电动机支撑结构刚度，现场在电动机支架东南西北四个方向各架设1个千斤顶，并严格控制千斤顶的顶升力度。

起机后进行振动测量，电动机上轴承东西方向振动速度下降至5.5 mm/s，但南北方向振动速度上升至4.7 mm/s，超过标准值(2.8 mm/s)。增强刚度后经锤击试验南北方向固有频率为15 Hz，东西方向固有频率为18.5 Hz，结果见图6、图7。由振动测量结果及固有频率测量结果可以看出泵组系统刚度及固有频率提高量有限，虽然东西方向振动由所下降，但南北方向振动却明显上升，原因为：在质量不变的条件下，南北方向系统刚度的提高必然导致其固有频率的上升，南北方向最初固有频率为13 Hz，刚度提高后，其固有频率上升并落入了共振区间内，从而导致振动明显上升，而东西方向由于泵组刚度提高后其固有频率偏离了共振区间，振动则有所下降。

图6 增强刚度后南北方向锤击试验结果

图7 增强刚度后东西方向锤击试验结果

2.2 减弱系统刚度试验

为减弱泵组系统刚度以降低固有频率，现场撤掉千斤顶后，降低各结合面连接螺栓的力矩，并松开电动机与电动机支架结合面西北角处的连接螺栓，电动机东西方向振动速度突降至3.3 mm/s，南北方向振动速度降低至1.81 mm/s，但东西方向振动速度仍然不能满足2.8 mm/s的标准。为进一步调整系统的固有频率，现场在电动机与电动机支架结合面西北角处增加了厚度为2 mm的青稞纸垫片，一方面增加阻尼部件可抑制共振的发生，另一方面在电动机与支架结合处制造出虚脚，连接刚度会下降，泵组的固有频率将随之降低。减弱系统刚度后固有频率测量结果见图8、图9。

图8 减弱刚度后南北方向锤击试验结果

图9 减弱刚度后东西方向锤击试验结果

电动机启动后振动速度测量结果见表3，通过适当降低泵组固有频率，电动机上轴承东西方向和南北方向振动均满足振动标准要求。

表3 调整固有频率后的振动速度测量结果 mm/s

3 处理效果

比较表2和表3可以看出，电动机的振动特征由东西方向振动较大变化为南北方向振动较大。产生这种变化的原因为：降低泵组系统的刚度使得东西方向固有频率偏离了共振区间，振动出现了大幅下降；而根据式(1)可知刚度的下降必然导致振幅的上升，所以南北方向刚度下降，使得南北方向振动略有上升。

经过以上分析，采取连接刚度避开固有频率的方法须慎重考虑，只有系统本身的刚度足够高时，方可采取这种方法。对于本文所涉及的泵，其系统设计的刚度已经较高，这一点可以通过增加系统刚度的尝试中看出，在现场实施增加刚度的措施后，其固有频率的上升量较小，原因在于其结构本身的刚度及连接刚度已经在较高水平，难以通过临时措施提高其固有频率。

4 结语

通过对服务水泵配套电动机的振动问题处理，可以得到以下结论：

(1) 频谱分析与固有频率分析方法可快速准确诊断结构共振故障。

(2) 对于本身刚度已经较高的结构，减弱刚度及增加阻尼是解决结构共振故障的一种有效方法。

(3) 在通过调整刚度解决结构共振问题时，须兼顾各方向固有频率与刚度的关系，防止出现一个方向振动降低，而另一方向振动上升的现象。