核电上充泵支承特性研究

摘 要：核电上充泵结构复杂，运行工况恶劣，受流体激振和轴承激振，以及支撑结构上的问题，常引发振动状态问题。本文从状态监测的角度分析了核电上充泵的轴承激振和支承特性并给出了治理方案，以便为该类设备的振动治理和设计优化提供参考。

关键词：上充泵；振动；轴承轻载；共振

1.概述

上充泵（RCV泵）是化学和容积控制系统（RCV）的主要设备，共有3台，在正常运行工况下，向反应堆冷却剂系统充水保持稳压器的水位，向三台主冷却剂泵注入第一级用的机械密封冷却水；在一回路在失水事故工况下，作为高压安注泵用于向一回路实施高压安注，以防止堆芯裸露。因此，在核电厂事故情况下，上充泵属于重要的安全设施。

上充泵泵组由6.6kV驱动电机、增速齿轮箱、泵等组成。本文所述上充泵型号RHM100-205.12，为多个核电厂采用。由于泵组结构复杂，系统运行工况多变，受力复杂。

对上充泵的状态分析和诊断，有两个重要方面：一是液力性能，二是支承性能。笔者在长期运行实践中，进行了大量的振动测试、频谱分析、敲击试验、解体检查、轴承载荷分析等，对上充泵的液流激振和水力性能方面进行了研究分析[1]，在此基础上，本文主要从泵体轴承和支承结构两方面对上充泵的支承性能进行研究。

2.轴承激振

上充泵的振动异常问题，从设备运维的角度，其原因可分为流体工况异常和泵体部件异常两个方面，具体包括流体扰动，环境温度变化，泵轴向推力变化，泵入口汽蚀，叶轮与口环间隙变化，叶轮与导叶碰磨，轴承选型设计缺陷，轴承室油位偏差，轴承磨损和轴承润滑异常等。

从振动故障诊断的角度，按照“输入—系统响应-输出”模式分析，其振动原因分为强迫振动激振力和系统响应两方面。具体到该设备，其激振力的主要来源为流体对水力部件的作用和轴承受载及膨胀产生的额外作用力，簡称为叶轮激振和轴承激振；系统响应方面则主要来自于设备支承结构的动力学刚度和固有频率。

正常轴承振动来源于转子，自身不产生额外激振力。但上充泵的轴承设计上存在载荷偏低问题，会导致轴承滚动体打滑，产生额外激振力[2]。

上充泵驱动端轴承型号NU312E，为单列圆柱滚子轴承，计算最小载荷1262N，而根据厂家资料，上充泵在不同流量工况轴承实际所受负载为725～744N，实际负载不足计算最小载荷的60%。同时从设计上，非驱动端推力轴承为热膨胀死点，驱动端为自由膨胀端。因此，上充泵驱动端径向轴承长期处于轻载运行状态，且存在热膨胀窜动，这常常为引起驱动端轴承打滑，导致振动升高。

当轴承存在明显故障缺陷时，在运转时会产生冲击，导致轴承处振动、温度异常，在频谱中会产生典型的故障频率成分。当滚动体打滑时会产生高频振动能量增加，通常是三倍频及五倍频以上。

另一方面轴承油位也有重要影响。油位低时，轴承润滑状态不良，滚子与滚道及油液冲击变大，易促进轴承打滑，且润滑油油量少时阻尼小，轴承振动冲击变大。

驱动端轴承轻载导致的上充泵振动故障，首先是要检查油位，核实润滑状态，通过频谱识别轴承是否有明显故障缺陷。长期治理手段包括在驱动端轴承室下加装支撑以及上抬驱动端轴承室止口，主要目的是增加驱动端轴承载荷，降低轴承打滑风险。

3.支承特性

通过改变支承结构，会对上充泵的振动状态造成较大影响，其主要原因在于三个方面：一是改变了设备支撑刚度，二是改变了轴承承载状况，三是改变了结构的固有频率。刚度与振动成反比关系，刚度越大，振动越小。对轴承承载状况的研究，则主要通过增加临时支撑的方式进行对比，通常在轴系不同位置增加支撑后，轴承载荷确实发生变化，轴承温度有所上升，但往往会导致振动波动幅度变大。

支承结构对上充泵振动影响最大的因素还来自于固有频率，当固有频率过于接近叶片通过频率极其谐波频率时，往往产生较大的振动。这主要是因为共振的关系，共振导致振动的放大，有显著的频率区间特点。

通过自激振动试验，可得出对各台上充泵支承的固有频率，其中驱动端的固有频率通常分布在500～600Hz之间。次级至末级叶轮的叶片通过频率546Hz正在这一区间，当两者较为接近时，振动会明显增大。

对于支承偏弱及驱动端共振问题，主要通过改变支承结构的刚度和固有频率来实现，在治理时需要综合考虑，首先是要有效避开共振峰，通常需要将固有频率调整到546Hz±10%以外的范围。有效的治理手段包括增加支撑或阻尼垫和改变设计结构等。

4.结论

上充泵为单向多级离心泵，挠性细长转子，且由于其功能设计的要求，长期运行工况并非泵的最佳工作点，加之轴承承载和支承结构设计上的不足，是其振动问题的主要原因。从振动故障分析的角度出发，则主要是受到叶轮激振、轴承轻载的额外激振力、驱动端的动力学刚度不足及共振效应等三方面的影响。本文就后两个个方面的振动机理进行了分析，并提供了相应的治理建议。

参考文献：

[1] 王家前、朱赢等. 挠性多级离心泵初生汽蚀的诊断研究. 设备管理与维修.2018

[2] 刘秀海，郑凯等.高速圆柱滚子轴承打滑分析研究.中国科协年会：航空发动机设计、制造与应用技术研讨会，2013.

作者简介：

王家前，男，辽宁红沿河核电有限公司，性能试验工程师，ISO 18436-2振动分析师（Ⅲ级）。