核電站SEC水泵電機振動原因分析與處理

      3、4號機組各有4臺SEC泵（極重要廠用水泵），為核三級泵，其電機型號為HYL630-6，電壓6.6kV、額定功率500kW、空載轉速1000r/min。電機空載時在基礎上的振動限值為2.3mm/s，帶載時電機和泵的振動限值均為2.8 mm/s。3號機組在安裝階段，該電機振動經(jīng)長時間調(diào)整未合格。
      一、振動情況
      SEC泵為立式泵，振動測點的布置如圖1（a）所示：依次在靠近軸承處布置Ml、M2、P1、P2 共計4個測點。每個測點包含3個方向：H（水平）方向、V（垂直）方向和A方向。A方向為電機軸向，H方向和V方向如圖1（b）所示。
      在試車中，3號機組4臺泵均出現(xiàn)振動超標現(xiàn)象。振動超標位置均為電機非驅動端Ml測點的H方向和V方向，Ml測點A方向振動合格，其他測點的3個方向都合格。經(jīng)多次反復對電機解體檢查，包括動平衡、軸承等，未見明顯缺陷，但電機支架法蘭水平度超過廠家要求的0.1 mm/m，且法蘭面的跳動已超過0.1 mm，于是就地車削電機支架上法蘭，車削達0.06 mm以內(nèi)后重新試車，4臺電機振動值仍然超標。后采用在電機支架上法蘭和下法蘭兩個結合面之間加墊不銹鋼墊片的方法，最終勉強使1號泵和3號泵振動合格，而 2號、4號泵振動始終無法合格，各泵調(diào)整后的振動情況如表1所示。 
      
         
      二、原因分析
      從表1中可以發(fā)現(xiàn)，無論是在空載還是負載情況下，Ml V方向的振動均大于Ml H方向的振動。通過對電機支架結構分析，如圖1（b）所示，可以發(fā)現(xiàn)，電機支架分別用4個M30螺栓固定在3個獨立的水泥基礎上。但3個水泥基礎并非呈120°均布，其中基礎1在H方向，基礎2、3與基礎1夾角均為135°。重要的是H方向支架的下方是水泥基礎1，直接受到支承，而V方向下方是水泥基礎之間的懸空位置，再加上支架剛度差等因素，這樣3個基礎在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 方向的振動始終小于Ml V方向振動的現(xiàn)象就不難解釋了。
      同時針對四臺泵中2號電機的振動最大，為進一步排除電機本身的問題，將振動已合格的1號電機調(diào)換至2號電機支架上，結果1號電機振動超標，1號電機支架上的2號電機振動卻合格，由此基本排除了電機本身的問題。這種情況下再針對性地對2號電機進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)電機在空載下的1倍頻16.6 Hz，而電機固有頻率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動頻率，也驗證了上述“支承位置的差異”帶來的影響。
      根據(jù)振動力學可知：系統(tǒng)的激振頻率與固有頻率接近時，振動會被放大。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)生振動的可能性越大 且振幅越大。SEC泵電機的頻率比λ計算如下：
      λ＝ω/ωn＝轉動頻率/固有頻率＝16.6/16.9＝0.98     （1）
      由此可見，SEC泵電機正處在共振區(qū)域中，外界微小的擾動均有可能被放大，使得振動水平急劇上升。在工程上為使系統(tǒng)偏離共振區(qū)，一般采用改變設備的結構來改變頻率比λ，從而達到振動治理效果。
      另外電機支架是由多塊鋼板焊接而成，原采用焊后振動法釋放焊接應力，但因支架體積和重量均較大，難以徹底消除焊接應力。從電機上法蘭水平度和跳動超標可知，焊接應力未得到有效釋放。
      同時發(fā)現(xiàn)：支架筒體下端圓的半徑為999 mm，3個水泥基礎內(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b未支承在剛性水泥基礎的預埋件上，而是坐落在厚度為35mm的懸空ɸ2700 mm法蘭板上，加強筋外緣cd的下部支承點d也僅僅只是靠近水泥基礎預埋件邊緣，這種結構類似懸臂結構，使得電機處于支承在彈性體上的狀態(tài)。
      在圖1（b）中可以發(fā)現(xiàn)，電機支架的人孔共有兩個，其中人孔1位于水泥基礎1、2之間，人孔 2位于水泥基礎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)域無加強筋，對支架剛度而言更是雪上加霜。
      三、改進及效果
      1、結構改進
      為使支架剛度提高，并使支架上的力直接傳遞到水泥基礎上，對支架部件進行改進。表2為支架各部件改進前、后對比。筒體、上法蘭、下法蘭筋 板厚度均有大幅提高，另外支架的加強筋數(shù)量由 10根提高至17根。
      
      將筒體外緣下部支承點由b點向外移動205 mm，加強筋外緣下部支承點由d點向外移動120 mm。
      另從檢修實際情況考慮，人孔保留一個即可。人孔 1的位置調(diào)整至水泥基礎的正上方，取消了人孔2，在水泥基礎的上方分別增設了小直徑的手孔。手孔的設計主要是便于電機支座內(nèi)外部人員的聯(lián)絡及一些輔助作業(yè)，手孔形狀采用圓孔，圓孔的直徑為500 mm，同時手孔區(qū)域加設了兩條加強筋，最大限度地提高支架剛度和機械阻尼。
      2、工藝改善
      為有效釋放支架的焊接應力，對制造工藝實施改善。要求支架在拼焊時對每一條焊縫焊兩遍，且要求雙面均要焊接。在焊接完成后，不再采用振動方法來消除應力，而采用高溫回火熱處理工藝進行處理。
      由于電機支架下法蘭與水泥基礎中的預埋墊鐵是通過螺栓聯(lián)接，因此支架與預埋墊鐵的聯(lián)接剛度將影響電機和支架整體剛度，需確保預埋墊鐵與電機支架下法蘭之間75%面積處于接觸狀態(tài)，禁止預埋墊鐵和電機支架下法蘭存在大面積局部空隙狀態(tài)下強行擰緊聯(lián)接螺栓。由于支架上法蘭的水平度影響著電機轉子的垂直度及電機運行時噪聲甚至振動，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的12.5μm提高至6.3μm。同時，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
      支架按照改進后的方案進行制造、加工后，在電機安裝過程中，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)場測量，電機非驅動端低階固有頻率由原16.9 Hz提高至27～30Hz區(qū)間，改進后的頻率比λ計算如下：
      λ＝ω/ωn＝轉動頻率/固有頻率＝16.6/27＝0.61        
      設計改進后頻率比接近0.61，遠離頻率比λ＝1的共振峰值，放大系數(shù)顯然比改進前減小，使電機對系統(tǒng)擾動下誘發(fā)振動的敏感性下降。3號機組4臺電機空載和帶泵運轉時，最大振動分別為0.5 mm/s、0.6 mm/s，振動處于優(yōu)良范圍，高于同類電廠相同設備運行水平，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