核電站SEC水泵電機(jī)振動(dòng)原因分析與處理

      3、4號(hào)機(jī)組各有4臺(tái)SEC泵（極重要廠用水泵），為核三級(jí)泵，其電機(jī)型號(hào)為HYL630-6，電壓6.6kV、額定功率500kW、空載轉(zhuǎn)速1000r/min。電機(jī)空載時(shí)在基礎(chǔ)上的振動(dòng)限值為2.3mm/s，帶載時(shí)電機(jī)和泵的振動(dòng)限值均為2.8 mm/s。3號(hào)機(jī)組在安裝階段，該電機(jī)振動(dòng)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整未合格。
      一、振動(dòng)情況
      SEC泵為立式泵，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1（a）所示：依次在靠近軸承處布置Ml、M2、P1、P2 共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)包含3個(gè)方向：H（水平）方向、V（垂直）方向和A方向。A方向?yàn)殡姍C(jī)軸向，H方向和V方向如圖1（b）所示。
      在試車中，3號(hào)機(jī)組4臺(tái)泵均出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象。振動(dòng)超標(biāo)位置均為電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端Ml測(cè)點(diǎn)的H方向和V方向，Ml測(cè)點(diǎn)A方向振動(dòng)合格，其他測(cè)點(diǎn)的3個(gè)方向都合格。經(jīng)多次反復(fù)對(duì)電機(jī)解體檢查，包括動(dòng)平衡、軸承等，未見(jiàn)明顯缺陷，但電機(jī)支架法蘭水平度超過(guò)廠家要求的0.1 mm/m，且法蘭面的跳動(dòng)已超過(guò)0.1 mm，于是就地車削電機(jī)支架上法蘭，車削達(dá)0.06 mm以內(nèi)后重新試車，4臺(tái)電機(jī)振動(dòng)值仍然超標(biāo)。后采用在電機(jī)支架上法蘭和下法蘭兩個(gè)結(jié)合面之間加墊不銹鋼墊片的方法，最終勉強(qiáng)使1號(hào)泵和3號(hào)泵振動(dòng)合格，而 2號(hào)、4號(hào)泵振動(dòng)始終無(wú)法合格，各泵調(diào)整后的振動(dòng)情況如表1所示。 
      
         
      二、原因分析
      從表1中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在空載還是負(fù)載情況下，Ml V方向的振動(dòng)均大于Ml H方向的振動(dòng)。通過(guò)對(duì)電機(jī)支架結(jié)構(gòu)分析，如圖1（b）所示，可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)支架分別用4個(gè)M30螺栓固定在3個(gè)獨(dú)立的水泥基礎(chǔ)上。但3個(gè)水泥基礎(chǔ)并非呈120°均布，其中基礎(chǔ)1在H方向，基礎(chǔ)2、3與基礎(chǔ)1夾角均為135°。重要的是H方向支架的下方是水泥基礎(chǔ)1，直接受到支承，而V方向下方是水泥基礎(chǔ)之間的懸空位置，再加上支架剛度差等因素，這樣3個(gè)基礎(chǔ)在H方向提供的支承剛度顯然大于V方向。因此，發(fā)現(xiàn)“支承位置的差異”后，Ml H 方向的振動(dòng)始終小于Ml V方向振動(dòng)的現(xiàn)象就不難解釋了。
      同時(shí)針對(duì)四臺(tái)泵中2號(hào)電機(jī)的振動(dòng)最大，為進(jìn)一步排除電機(jī)本身的問(wèn)題，將振動(dòng)已合格的1號(hào)電機(jī)調(diào)換至2號(hào)電機(jī)支架上，結(jié)果1號(hào)電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)，1號(hào)電機(jī)支架上的2號(hào)電機(jī)振動(dòng)卻合格，由此基本排除了電機(jī)本身的問(wèn)題。這種情況下再針對(duì)性地對(duì)2號(hào)電機(jī)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)在空載下的1倍頻16.6 Hz，而電機(jī)固有頻率Ml H方向和Ml V方向分別為22.8 Hz、16.9 Hz，其中Ml V方向的固有頻率接近轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，也驗(yàn)證了上述“支承位置的差異”帶來(lái)的影響。
      根據(jù)振動(dòng)力學(xué)可知：系統(tǒng)的激振頻率與固有頻率接近時(shí)，振動(dòng)會(huì)被放大。λ為激振頻率與固有頻率之比，λ在0.8～1.2區(qū)域間視為共振區(qū)，距λ＝l（峰值處）越近，發(fā)生振動(dòng)的可能性越大 且振幅越大。SEC泵電機(jī)的頻率比λ計(jì)算如下：
      λ＝ω/ωn＝轉(zhuǎn)動(dòng)頻率/固有頻率＝16.6/16.9＝0.98     （1）
      由此可見(jiàn)，SEC泵電機(jī)正處在共振區(qū)域中，外界微小的擾動(dòng)均有可能被放大，使得振動(dòng)水平急劇上升。在工程上為使系統(tǒng)偏離共振區(qū)，一般采用改變?cè)O(shè)備的結(jié)構(gòu)來(lái)改變頻率比λ，從而達(dá)到振動(dòng)治理效果。
      另外電機(jī)支架是由多塊鋼板焊接而成，原采用焊后振動(dòng)法釋放焊接應(yīng)力，但因支架體積和重量均較大，難以徹底消除焊接應(yīng)力。從電機(jī)上法蘭水平度和跳動(dòng)超標(biāo)可知，焊接應(yīng)力未得到有效釋放。
      同時(shí)發(fā)現(xiàn)：支架筒體下端圓的半徑為999 mm，3個(gè)水泥基礎(chǔ)內(nèi)切圓半徑為1200 mm，這就造成支架筒體外緣ab的下部支承點(diǎn)b未支承在剛性水泥基礎(chǔ)的預(yù)埋件上，而是坐落在厚度為35mm的懸空ɸ2700 mm法蘭板上，加強(qiáng)筋外緣cd的下部支承點(diǎn)d也僅僅只是靠近水泥基礎(chǔ)預(yù)埋件邊緣，這種結(jié)構(gòu)類似懸臂結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)處于支承在彈性體上的狀態(tài)。
      在圖1（b）中可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)支架的人孔共有兩個(gè)，其中人孔1位于水泥基礎(chǔ)1、2之間，人孔 2位于水泥基礎(chǔ)3上，人孔的高度為880 mm，而支架的總高度才1066 mm，人孔髙度約占筒體高度的4/5，且支架在人孔區(qū)域無(wú)加強(qiáng)筋，對(duì)支架剛度而言更是雪上加霜。
      三、改進(jìn)及效果
      1、結(jié)構(gòu)改進(jìn)
      為使支架剛度提高，并使支架上的力直接傳遞到水泥基礎(chǔ)上，對(duì)支架部件進(jìn)行改進(jìn)。表2為支架各部件改進(jìn)前、后對(duì)比。筒體、上法蘭、下法蘭筋 板厚度均有大幅提高，另外支架的加強(qiáng)筋數(shù)量由 10根提高至17根。
      
      將筒體外緣下部支承點(diǎn)由b點(diǎn)向外移動(dòng)205 mm，加強(qiáng)筋外緣下部支承點(diǎn)由d點(diǎn)向外移動(dòng)120 mm。
      另從檢修實(shí)際情況考慮，人孔保留一個(gè)即可。人孔 1的位置調(diào)整至水泥基礎(chǔ)的正上方，取消了人孔2，在水泥基礎(chǔ)的上方分別增設(shè)了小直徑的手孔。手孔的設(shè)計(jì)主要是便于電機(jī)支座內(nèi)外部人員的聯(lián)絡(luò)及一些輔助作業(yè)，手孔形狀采用圓孔，圓孔的直徑為500 mm，同時(shí)手孔區(qū)域加設(shè)了兩條加強(qiáng)筋，最大限度地提高支架剛度和機(jī)械阻尼。
      2、工藝改善
      為有效釋放支架的焊接應(yīng)力，對(duì)制造工藝實(shí)施改善。要求支架在拼焊時(shí)對(duì)每一條焊縫焊兩遍，且要求雙面均要焊接。在焊接完成后，不再采用振動(dòng)方法來(lái)消除應(yīng)力，而采用高溫回火熱處理工藝進(jìn)行處理。
      由于電機(jī)支架下法蘭與水泥基礎(chǔ)中的預(yù)埋墊鐵是通過(guò)螺栓聯(lián)接，因此支架與預(yù)埋墊鐵的聯(lián)接剛度將影響電機(jī)和支架整體剛度，需確保預(yù)埋墊鐵與電機(jī)支架下法蘭之間75%面積處于接觸狀態(tài)，禁止預(yù)埋墊鐵和電機(jī)支架下法蘭存在大面積局部空隙狀態(tài)下強(qiáng)行擰緊聯(lián)接螺栓。由于支架上法蘭的水平度影響著電機(jī)轉(zhuǎn)子的垂直度及電機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲甚至振動(dòng)，因此支架的平行度由0.1 mm/m提高至0.05 mm/m，法蘭面的表面粗糙度由原來(lái)的12.5μm提高至6.3μm。同時(shí)，為提供安裝精度，保證支架安裝后上法蘭的水平度，要求保證三塊預(yù)埋墊鐵平面必須在同一水平面上，水平度要求為0.03 mm/m。
      3、效果
      支架按照改進(jìn)后的方案進(jìn)行制造、加工后，在電機(jī)安裝過(guò)程中，支架各法蘭之間不加任何墊片及不采取任何調(diào)整措施條件下，直接一次安裝到位。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端低階固有頻率由原16.9 Hz提高至27～30Hz區(qū)間，改進(jìn)后的頻率比λ計(jì)算如下：
      λ＝ω/ωn＝轉(zhuǎn)動(dòng)頻率/固有頻率＝16.6/27＝0.61        
      設(shè)計(jì)改進(jìn)后頻率比接近0.61，遠(yuǎn)離頻率比λ＝1的共振峰值，放大系數(shù)顯然比改進(jìn)前減小，使電機(jī)對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)下誘發(fā)振動(dòng)的敏感性下降。3號(hào)機(jī)組4臺(tái)電機(jī)空載和帶泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，最大振動(dòng)分別為0.5 mm/s、0.6 mm/s，振動(dòng)處于優(yōu)良范圍，高于同類電廠相同設(shè)備運(yùn)行水平，改造成功。
      作者：（1）鄭曉彤 上海上電電力工程有限公司 （2）李振、杜鵬程、石屹峰 福建福清核電有限公司