核電機(jī)組主泵振動(dòng)問題有哪些根本原因|資料

1反應(yīng)堆主泵的型式與結(jié)構(gòu)

反應(yīng)堆主泵是壓水堆核電站一回路主要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，承擔(dān)著補(bǔ)償一回路冷卻劑壓力降、推動(dòng)冷卻劑循環(huán)等重要功能。大亞灣核電運(yùn)營公司負(fù)責(zé)營運(yùn)的大亞灣與嶺澳核電站共裝備12臺由法國JEUMONT-INDUSTRIES制造的100型主泵（每單元機(jī)組配備3臺）。每臺主泵均為空氣冷卻、三相感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的單級軸密封機(jī)組。整機(jī)是一臺立式組件，如圖1所示，從頂部到底部由電動(dòng)機(jī)、密封組件和泵的水力部件組成，串聯(lián)布置的三級軸封控制由泵軸的泄漏。由化容控制系統(tǒng)供應(yīng)的密封水注入到泵軸承和密封件之間，以防止反應(yīng)堆冷卻劑向上流動(dòng)，同時(shí)冷卻軸封和泵軸承。電動(dòng)泵組裝有三個(gè)徑向軸承和一個(gè)止推軸承，其中兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)止推軸承用來支撐電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，另一個(gè)徑向軸承形成泵軸承，它是水潤滑軸承，由斯太立合金堆焊的不銹鋼軸頸和石墨環(huán)構(gòu)成的套筒組成。

2反應(yīng)堆主泵特殊的振動(dòng)問題

兩電站投入商運(yùn)以來，100型主泵陸續(xù)出現(xiàn)的特殊振動(dòng)問題長期困擾著專業(yè)技術(shù)人員，這些特殊的振動(dòng)問題主要表現(xiàn)出如下特征。

2.1主泵的振動(dòng)水平明顯地受到軸封水流量的影響

2003年4月8日，嶺澳1號機(jī)由于投運(yùn)RCV上充泵下泄孔板，致使3號主泵軸封流量由2.0m3/h降低到1.7m3/h（系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求軸封流量控制在1.8m3/h），該泵軸振動(dòng)也由200μm下降到150μm，其后調(diào)高軸封流量到2.0m3/h，振動(dòng)水平又回升到190μm。值得注意的是，不同主泵的振動(dòng)狀態(tài)對軸封水流量改變的響應(yīng)是完全不同的，如2000年2月22日對D1RCP001/002/003PO進(jìn)行軸封水調(diào)整的試驗(yàn)：

2.2m3/h160μm90μm200μm

2.5m3/h155μm140μm180μm

3.0m3/h155μm190μm160μm

從上表可以看出：在軸封水流量由2.2m3/h增大到3.0m3/h后，1號泵振動(dòng)水平基本不變，2號泵軸振動(dòng)顯著增大，而3號泵則明顯減小。

2.2主泵的振動(dòng)高點(diǎn)是不斷變化的

如：1999年3月8日，在105大修后一回路升溫、升壓過程，記錄到D1RCP002PO振動(dòng)矢量的變化情況，在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)工頻分量為160μm/8°，升溫、升壓到熱停堆時(shí)這個(gè)振動(dòng)矢量變化到154μm/104°，也就是說振動(dòng)方向變化了96°。

2.3需要反復(fù)進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡降低振動(dòng)水平

每當(dāng)主泵軸振動(dòng)急劇增大時(shí)，變化的主要頻率成分都是工頻（占通頻振動(dòng)的80%~90%），一般的處理方式是在熱停堆工況進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡降低振動(dòng)水平。但奇怪的是，經(jīng)過平衡的主泵再經(jīng)過一次簡單的起停過程，又會(huì)表現(xiàn)出明顯的不平衡特征（即工頻振動(dòng)再度升高），而不得不再次進(jìn)行平衡。如：2000年3月5日，D1RCP003PO在106大修啟動(dòng)后軸振動(dòng)水平在熱停堆工況達(dá)到230μm，現(xiàn)場進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)將軸振動(dòng)降低到140μm，隨后進(jìn)行惰走試驗(yàn)，該泵經(jīng)過一次簡單起停過程，再次啟動(dòng)時(shí)原來經(jīng)過平衡的良好振動(dòng)狀態(tài)又出現(xiàn)反復(fù)，被迫進(jìn)行第二次平衡。
2.4主泵啟動(dòng)次序的變化也會(huì)造成主泵振動(dòng)狀態(tài)的劇烈變化

如：2003年4月17日109大修后期，機(jī)組回到熱停堆狀態(tài)，D1RCP002PO軸振動(dòng)良好，進(jìn)行惰走試驗(yàn)同時(shí)停運(yùn)三臺主泵，隨后按照1、3、2的順序依次啟動(dòng)主泵，002PO原本振動(dòng)在90μm，再啟動(dòng)后急劇上升到200μm，隨后進(jìn)行第二次惰走試驗(yàn)，三臺主泵同時(shí)停運(yùn)后按照1、2、3的順序再次啟動(dòng)，002PO軸振動(dòng)水平又恢復(fù)到100μm的良好水平。而期間除了改變啟動(dòng)次序以外沒有任何其他操作。

3當(dāng)前對主泵振動(dòng)問題的幾種理論解釋及其局限性

3.1質(zhì)量不平衡

質(zhì)量不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)問題的主要原因之一。根據(jù)一般的振動(dòng)分析理論，轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡時(shí)主要的頻譜特征是工頻分量占到振動(dòng)總水平的80%以上。這一點(diǎn)應(yīng)該與我們采集的頻譜表現(xiàn)一致。加之每次解決主泵振動(dòng)問題都是通過現(xiàn)場動(dòng)平衡的方式，因此有人便認(rèn)為主泵轉(zhuǎn)子上一定存在質(zhì)量平衡問題需要不斷矯正。

事實(shí)上轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡還有一個(gè)基本特征，那就是相位基本穩(wěn)定，這一點(diǎn)明顯與主泵振動(dòng)矢量存在變化的事實(shí)不符，同時(shí)對轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡進(jìn)行處理后，在較短的時(shí)間里一般不會(huì)出現(xiàn)需要頻繁矯正的情況。很明顯，反應(yīng)堆主泵的振動(dòng)問題不是完全由于質(zhì)量不平衡造成的。

3.2固體硼結(jié)晶在軸承內(nèi)表面造成的缺陷

針對主泵存在的振動(dòng)問題，我們向法國電力公司（EDF）發(fā)文，希望對方可以利用其雄厚的技術(shù)實(shí)力與豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)給我們幫助。EDF在回文中承認(rèn)他們的電站也存在同樣問題，同樣也是通過動(dòng)平衡來解決，但遺憾的是對于根本原因?qū)Ψ揭材砸皇?，只是籠統(tǒng)地提到固體硼結(jié)晶在軸承內(nèi)表面造成的缺陷可能是造成振動(dòng)的原因，等等。

對于這個(gè)解釋我們并不認(rèn)同。首先，軸承存在缺陷的設(shè)備振動(dòng)問題不可能通過平衡解決；其次，軸承存在缺陷導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)較高也不可能通過調(diào)整軸封水流量來得到緩解。可以說，EDF提供的這個(gè)解釋完全不能說明我們面對的振動(dòng)現(xiàn)象，因而是不能令人信服的。

3.3主泵軸系的熱變量

一段時(shí)間以來，主泵軸系的熱變量被認(rèn)為是造成主泵振動(dòng)問題的主要原因。這個(gè)解釋認(rèn)為主泵大軸各向、各個(gè)部件的溫度差異導(dǎo)致主泵轉(zhuǎn)子存在一個(gè)熱變量，正是由于這個(gè)熱變量的存在和不斷變化才造成主泵軸振動(dòng)表現(xiàn)出特殊性。

而每次進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡試驗(yàn)就是對這個(gè)熱變量進(jìn)行平衡。

應(yīng)該說，熱變量的理論基本可以解釋前面列舉的問題，如：轉(zhuǎn)子存在隨工況而變化的熱變量會(huì)造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)矢量的變化，熱變量在一定程度上也確實(shí)可以通過現(xiàn)場動(dòng)平衡來矯正，等等。但熱變量的解釋卻不能完全說明軸封水流量的改變到底是如何明顯影響到轉(zhuǎn)子軸振動(dòng)的。同時(shí)兩次簡單的起停過程就會(huì)引起軸振動(dòng)劇烈變化用該理論也無法完美地作出解釋。據(jù)此，可以說熱變量應(yīng)該是導(dǎo)致主泵振動(dòng)的因素之一，但卻不是根本原因。
4轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中的動(dòng)力學(xué)特性是主泵振動(dòng)問題的根本原因

臥式動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)臥式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的動(dòng)壓液膜對轉(zhuǎn)子有一個(gè)承載力，這個(gè)力與轉(zhuǎn)子自重會(huì)在某一位置取得平衡，使得轉(zhuǎn)子軸心與軸承的中心形成一個(gè)穩(wěn)定的角度。在轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心形成的離心力擾動(dòng)下，轉(zhuǎn)子中心會(huì)在這個(gè)固定位置做小范圍的弓型渦動(dòng)，其頻率與轉(zhuǎn)子工頻同步。

與臥式轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)不同，立式轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中缺少轉(zhuǎn)子重力這個(gè)負(fù)載。可見，軸承中心為O，軸頸中心O’因不平衡而偏離O時(shí)，軸頸和軸承間隙沿周向是不均勻的。潤滑液被軸頸帶動(dòng)，順著轉(zhuǎn)動(dòng)方向從較寬的間隙流進(jìn)較窄的間隙而形成液楔對軸頸有擠壓力作用。設(shè)軸承的全部液膜對轉(zhuǎn)子軸頸的總壓力F位于擠壓的一側(cè)并朝向軸頸中心O’，將力F分解為O’的徑向力Fe和周向力Fτ。分力Fe起支持軸頸的作用，相當(dāng)于轉(zhuǎn)軸的彈性力，分力Fτ垂直于O’的半徑并順著轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使O’的速度增大，就是使轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的力。從直觀上來看就好象液膜"推"軸在軸承內(nèi)作環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性較好的設(shè)計(jì)，這個(gè)渦動(dòng)會(huì)約束在較小的范圍，但對于缺少重力負(fù)載的立式軸系而言，穩(wěn)定性差，這個(gè)渦動(dòng)一旦出現(xiàn)會(huì)比較容易呈現(xiàn)發(fā)散運(yùn)動(dòng)。

這個(gè)由于立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差造成的較大范圍的渦動(dòng)在現(xiàn)場采集的軸振動(dòng)的軸心軌跡圖和時(shí)域波型上可以清晰地找到。

正常穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子由于必然存在的離心力的作用，軸心軌跡會(huì)表現(xiàn)出近似一個(gè)橢圓，且約束在較小的范圍，如嶺澳2號機(jī)3號主泵在第一燃料循環(huán)周期內(nèi)軸振動(dòng)水平在50μm左右。嶺澳1號機(jī)3號主泵在第一燃料循環(huán)的大部分時(shí)間軸振動(dòng)都維持在200μm的較高水平，其軸心軌跡明顯發(fā)散且表現(xiàn)出明顯的"8"字型特征，說明振動(dòng)信號除主頻率以外還有一個(gè)較大的擾動(dòng)存在。再觀察時(shí)域波形的圖形，主泵電機(jī)工作頻率（25Hz）非常清晰，但每一個(gè)由于離心力而產(chǎn)生的正弦波上都負(fù)載了一個(gè)與工作頻率同頻率的分量，將這兩個(gè)峰值的幅值相加基本上與頻譜上的工頻分量相吻合。由此可以看出，主泵頻譜上的工頻分量實(shí)際上是由幾個(gè)同頻率的分量構(gòu)成（主要包括質(zhì)量偏心、轉(zhuǎn)子渦動(dòng)等），要大幅度地降低工頻振動(dòng)僅僅平衡質(zhì)量偏心是不夠的，幫助轉(zhuǎn)子穩(wěn)定下來，消除這個(gè)同頻擾動(dòng)后軸振動(dòng)才會(huì)下降到理想的水平。

可以進(jìn)一步認(rèn)為，這個(gè)由于立式轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定而產(chǎn)生的渦動(dòng)最初會(huì)由于滑動(dòng)軸承液膜的剛度而限制在小范圍，但運(yùn)行時(shí)間加長，無疑會(huì)增大離心力，而離心力又增大渦動(dòng)力，需要不斷增加剛度來約束大范圍的渦動(dòng)，軸承液膜會(huì)越來越薄，最終振動(dòng)幅值超過軸承間隙，使得動(dòng)靜摩擦，破壞設(shè)備。事實(shí)上大亞灣1號機(jī)3號主泵在第九個(gè)燃料循環(huán)中軸振動(dòng)水平最大到220μm，在軸心軌跡圖上出現(xiàn)了碰磨的跡象，大修檢查該泵的水導(dǎo)軸承發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)磨損的坑槽。

5運(yùn)用新的理論來解釋主泵的振動(dòng)現(xiàn)象

了解了立式轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特征就可以比較全面地解釋主泵出現(xiàn)的這些"奇特"的振動(dòng)現(xiàn)象了。

5.1變化的軸封水流量改變了支撐剛度進(jìn)而影響到轉(zhuǎn)子振動(dòng)

研究主泵的具體結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，保持一回路密封的1、2、3道液體密封與主泵的水導(dǎo)軸承統(tǒng)一構(gòu)成了主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的徑向支撐體系。油膜（液膜）的厚度是影響滑動(dòng)軸承剛度的因素之一，油膜越厚剛度越弱，反之則越強(qiáng)。當(dāng)軸封水流量變化時(shí)實(shí)際上就是改變了立式轉(zhuǎn)子的支撐剛度，軸振動(dòng)狀態(tài)的變化也就不難理解了。另一方面，正常工作期間，立式轉(zhuǎn)子處于脆弱的平衡狀態(tài)，在剛度改變這一顯著的擾動(dòng)下，原先的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，一旦"不幸"不能重新找到新的平衡位置，渦動(dòng)放大，振動(dòng)狀態(tài)也就不能回復(fù)到原先的水平了。

5.2工作環(huán)境的改變影響了轉(zhuǎn)子在軸承中的工作位置

事實(shí)上，在大修后一回路升溫、升壓過程中，主泵轉(zhuǎn)子軸系就在不斷適應(yīng)轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境，"尋找"自己 的工作位置，到熱停堆狀態(tài)一回路溫度、壓力穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)子軸頸在滑動(dòng)軸承中最終的工作位置才會(huì)確定下來。這個(gè)過程反映在振動(dòng)相位上就表現(xiàn)為振動(dòng)高點(diǎn)的不斷變化上。

5.3現(xiàn)場動(dòng)平衡是對轉(zhuǎn)子體系綜合因素的平衡

通過對主泵軸心軌跡和時(shí)域波形的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主泵振動(dòng)大時(shí)雖然都表現(xiàn)為工頻振動(dòng)占絕大部分，但實(shí)際上這個(gè)頻率的振動(dòng)幅值是由兩個(gè)部分構(gòu)成的：其一，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)真實(shí)存在的質(zhì)量不平衡，這個(gè)分量 存在，只是大小的差別；其二，與轉(zhuǎn)速頻率同頻的渦動(dòng)頻率，這個(gè)渦動(dòng)是由于立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差而造成的，并隨著離心力而不斷加大?，F(xiàn)場動(dòng)平衡實(shí)際上是對轉(zhuǎn)子熱變量、水力不平衡、質(zhì)量不平衡以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)特定的工作條件（包括剛度、阻尼）等綜合條件而進(jìn)行的附加配重。這個(gè)配重一定要使得轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)才算成功，否則這次平衡之后還會(huì)需要再次進(jìn)行。同時(shí)運(yùn)行當(dāng)中主泵軸系工作狀態(tài)（剛度、阻尼）的明顯改變也會(huì)使得平衡的努力歸于失敗。

6提高立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的方法

6.1實(shí)際中可以操作的手段

立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問題是在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)就確定了，但這并不意味著運(yùn)營單位一定無所作為。支撐系統(tǒng)的剛度、滑動(dòng)軸承的間隙、質(zhì)量平衡的精度等諸多因素都可以影響到轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。在實(shí)踐中如果主泵振動(dòng)較大，在檢修過程中可以重點(diǎn)檢查：

（1）軸承、密封等支撐系統(tǒng)螺栓的緊力。在轉(zhuǎn)子擾動(dòng)力一定的情況下，剛度越大振動(dòng)的響應(yīng)就越小。支撐系統(tǒng)處于設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)有利于提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

（2）轉(zhuǎn)子與滑動(dòng)軸承的間隙。間隙過大的滑動(dòng)軸承可以讓小的不平衡、不對中引起大的振動(dòng)。

（3）盡量提高轉(zhuǎn)子的平衡精度。根據(jù)振動(dòng)理論，不平衡擾動(dòng)力在任何轉(zhuǎn)子上都會(huì)存在。提高平衡精度有利于減小對穩(wěn)定性脆弱的轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)。當(dāng)然對渦動(dòng)占據(jù)主要成分的情況，進(jìn)一步提高平衡精度非常困難，此時(shí)還是應(yīng)該在幫助轉(zhuǎn)子穩(wěn)定方面多下功夫。

6.2最終解決主泵振動(dòng)問題的理論探討

為了解決立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差的問題，國外有的技術(shù)文獻(xiàn)提出建議，要求在安裝立式轉(zhuǎn)子的靠背輪時(shí)預(yù)置一個(gè)偏心，用轉(zhuǎn)子偏心的撓性力來提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，當(dāng)然這個(gè)偏心量應(yīng)該是經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算的數(shù)值，它既能夠提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性又保證軸系不會(huì)由于太大的偏心而造成設(shè)備損壞?？梢砸笾鞅玫膹S家進(jìn)行這項(xiàng)工作。