核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端的振动问题分析

宋美鹏， 焉满堂

（山西源慧人力资源服务有限公司， 辽宁 大连 116300）

0 引言

某核电站CRF001 循环水泵在大修处理后，其1 号机组的2 台循环水泵电机出现异常振动情况。常用的振动检验方法为经验分析法，此种方法存在较强主观性，对于检修人员经验能力要求较高。基于某核电站CRF001 循环水泵电机异常振动情况，采用模态仿真模拟方法进行分析，提出非驱动端加固方案，对问题进行有效解决。

1 核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端模态仿真分析

根据核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端基本结构，通过Pro/E 三维模型软件构建基本结构三维几何模型，并对模型中倒角、圆孔、螺丝等结构性能影响较小的细微结构进行适当省略，虚拟装配层循环水泵电动非驱动端三维几何模型后，将模型导入到Hypermesh 软件中，为模型实施网格划分，并配置材料属性。具体材料采用316L 不锈钢材料，此种材料的弹性模量、泊松比以及密度分别为196 MPa、0.3、7 980 kg/m3。将循环水泵电机非驱动端三维几何模型导入到LMS 软件中，再将Hypermesh 软件中构建的网格划分模型替换LMS 软件中现有的三维几何刚性体模型，进而形成循环水泵电机非驱动端刚柔耦合模型（见图1）[1]。

图1 循环水泵电机非驱动端刚柔耦合模型

通过KMS 软件中的Nastran 模块对循环水泵电机非驱动端刚柔耦合模型进行模态分析计算，进而获取到循环前六阶固有振动频率分别为57.529 Hz、61.067Hz、98.535Hz、237.622Hz、347.120Hz、355.473Hz。

2 核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端加固方案

根据实际情况来看，核电站CRF001 循环水泵电机的实际运行频率约为60 Hz，此运行频率与循环水泵电机非驱动端第一阶固有模态和第二阶固有模态对应的振动频率较为接近，在实际运行过程中极易出现同频率共振，进而引发循环水泵电机非驱动端振动问题。

想要有效解决此问题，就需要尽可能避免非驱动端和电机运行频率之间产生同频率共振情况，即采用一定措施改变非驱动端低阶固有频率。综合分析后，确认循环水泵电机非驱动端加固方案为在非驱动端加设梁柱加强筋，煤柱加强筋均有2 根1.5 m 的14号槽钢、1 块圆弧钢板以及2 块平面钢板之间共同组成。2 根槽钢的一端与圆弧钢板相连，所形成的夹角为16.5°，另一端则与平面钢板相连，并通过墙壁进行有效固定。两组加强筋以对称式分布，主要用于加固循环水泵电机非驱动端。

通过KMS 软件中的Nastran 模块对加固后的循环水泵电机非驱动端刚柔耦合模型进行模态分析计算，进而获取到循环前六阶固有振动频率分别为135.970 Hz、150.036 Hz、331.196 Hz、572.125 Hz、657.093 Hz、779.371 Hz。通过模态分析可知，加固后的非驱动端低阶模态固有频率与电机运行频率差异较大，可一定程度上避免同频率共振问题[2]。

3 核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端有限元仿真分析

在实施核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端加固以后，为保障非驱动端的正常稳定运行，还需要对其各结构将进行综合性能分析，具体分析采用有限元仿真法进行。

3.1 支架

由于循环水泵电机非驱动端支架数量较多，并且整体结构呈现出对称结构，所以实际研究中仅对一侧的三个支架进行有限元仿真分析，进而获取仿真分析结果如图2 所示。

图2 非驱动端支架1 应力（Pa）分布云图

通过仿真分析可知，循环水泵电机非驱动端支架1、支架2 以及支架4 所承受的最大应力分别为798MPa、88.5 MPa、81.2 MPa，对应的最大应力区域分别为支架1 中上部区域、支架2 中下部区域以及支架4 左上部区域。而支架所采用的材料为316L，此种材料的许用应力和抗拉强度分别为117 MPa 和620 MPa，可确认支架强度符合要求[3-4]。

3.2 轴承

循环水泵电机非驱动端轴承主要分为上端轴承和下端轴承两部分，具体仿真分析结果如图3 所示。

图3 上端轴承应力（Pa）分布云图

通过仿真分析可知，循环水泵电机上端轴承所承受的最大应力为133 MPa，对应的最大应力区域为上端轴承内环边缘区域；循环水泵电机下端轴承所承受的最大应力为161 MPa，对应的最大应力区域为下端轴承内环边缘区域，而轴承所采用的材料为SKF 轴承钢，此种材料的许用应力和抗拉强度分别为212.5MPa和861 MPa，可确认轴承强度符合要求。

3.3 加强筋组件

如上所述，加强筋组件主要用于加固循环水泵电机非驱动端，目的为减少电机设备振动，避免非驱动端与电机运行过程中产生同频率共振。通过有限元分析法进行仿真分析，获取到图4 中的仿真分析结果。

图4 加强筋组件应力分布云图

循环水泵电机非驱动端加固主要采用2 组加强筋组件，其中加强筋组件1 所承受的最大应力为52.8MPa，最大应力区域处于槽钢与圆弧钢板相接区域槽钢上部位置；加强筋组件2 所承受的最大应力为52.8 MPa，最大应力区域处于槽钢与圆弧钢板相接区域槽钢上部位置，而加强筋所采用的材料为14 号槽钢，此种材料的许用应力和抗拉强度分别为92.5 MPa 和380 MPa，可确认加强筋组件强度符合要求。

总体来说，加固后核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端各关键结构件综合强度均符合要求。

4 电机非驱动端加固方案的工程应用

通过模态分析和有限元仿真分析可知，通过加强筋组件加固后的核电站CRF001 循环水泵电机非驱动端可满足减振要求的同时，还能够保障结构整体强度性能，具有一定的应用可行性。但考虑到仿真分析过程中较为理想化，而核电站CRF001 循环水泵电机实际工作条件较为复杂，可能会出现各种因突发事件所导致的运行问题。因此，在实际研究中，应进一步确认电机非驱动端加固方案的应用成效[5]。

根据电机非驱动端加固方案对核电站CRF001循环水泵电机非驱动端结构进行改进优化，并采用专业的智能传感器设备实施数据采集，并以采集数据为基础，对电机非驱动端进行性能分析和使用寿命预估。在应用加固方案前，电机非驱动端轴承最大振幅为70.3 μm，垂直方向最大振幅为180.3 μm，而厂家预定标准为55 μm，确认已严重超标。加固后，电机非驱动端轴承最大振幅为40.1 μm，垂直方向最大振幅为46.3 μm，整体振幅控制效果极为显著，证明电机非驱动端加固方案具有较强可行性和应用价值。

5 结语

以某核电站CRF001 循环水泵电机为研究对象，通过模态分析方法提出非驱动端加固方案。为验证此加固方案的可行性和应用价值，分别采用模态分析法、有限元仿真分析法和工程应用法进行分析检验，进而发现加固方案可有效提高电机非驱动端低阶模态振动频率，保障非驱动端各结构性能处于标准要求内，并有效控制电机非驱动端振幅。因此，确认电机非驱动端加固方案具有较强应用价值，可在后续其他循环水泵电机振动问题解决优化时进行参考应用。