核电厂主泵振动报警诊断与治理

核电厂主泵振动报警诊断与治理

梁文宇

福建福清核电有限公司福建福清350300

摘要：核电站反应堆冷却剂泵（简称主泵），主泵用于驱动冷却剂在反应堆冷却系统内循环流动，连续不断地把堆芯中产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧给水，同时冷却堆芯，防止燃料元件烧毁或烧坏。主泵是核岛内最重要的旋转设备，它的运行状态直接关系到核电厂的效益和核安全。

关键词：核电厂；主泵；振动报警；诊断与治理

前言

核动力主泵是核动力装置冷却剂强迫循环的动力源，其运行状态直接关系到核动力装置的性能与安全，通过对其振动进行在线监测，了解和掌握设备的运行状态，识别设备的异常表现，确定合理的检修时间和方案，达到减少事故停机损失、提高设备运行的可靠性、降低维修费用的目的。核动力主泵为屏蔽泵结构，只能在泵壳进行振动探测。由于振动速度传感器存在尺寸和重量大、弹簧片易疲劳损坏、耐温耐蚀性差等缺点，核动力主泵的振动监测采用特殊的耐高温、耐辐照的压电式加速度传感器在泵壳测量其振动加速度。为了参照国内外以振动烈度为基准的旋转设备振动评价体系进行核动力主泵振动状态评价，就需要将振动加速度信号积分转换成振动速度信号。

1核电厂主泵振动报警诊断

引起主泵振动异常的原因有很多，例如动不平衡、转子弯曲、基础松动、对中不良、动静摩擦、轴承出现故障等等。处理主泵振动超标缺陷，首先必须分析清楚导致振动超标的原因，找出振源才能对症下药。

在振动数据分析中可以发现：主泵的轴振一倍频幅值占通频值主要成分，约占62%左右，而且相位比较稳定，另外结合停机时的数据，随着转速的下降，振动的幅值和转速成比例进行下降，从而可以初步判断此时主泵只是存在着一定的质量不平衡量；对比冷态试验和热态试验时的振动数据，热态工况下主泵振动通频值比冷态时有一定上涨，且一倍频幅值仍占主要成分，约占通频值的70%左右；冷、热态工况下一倍频相位比较稳定。可以判断主泵的振动故障仍以质量不平衡为主，同时显现出一定热不平衡，热不平衡与质量不平衡的相位一致；BAS试验后的振动幅值有了很大的上涨；轴振幅值基本稳定（288μm左右）；此时主泵轴振振幅仍以一倍频为主（约占通频值的79%左右）；BAS试验前后振动相位基本接近[1]。

轴心轨迹基本上为一椭圆形，波形图大致为正弦波形，为典型的动不平衡和热弯曲图形。综合以上的数据进行分析，主泵在BAS试验后振动发生突变的原因是BAS试验前后主泵经过几次的急停急起，对主泵产生热冲击，原来的热平衡被破坏，热不平衡量引起变形的相位和质量不平衡的相位接近，两者叠加导致振动的一倍频幅值增大，振幅通频值快速上升。由于此时振动幅值中仍以一倍频振动为主，可通过实施现场动平衡处理降低振动。

2核电厂主泵振动报警治理措施

2.1工作环境的改变影响了转子在轴承中的工作位置

事实上，在大修后一回路升温、升压过程中，主泵转子轴系就在不断适应转子的工作环境，“寻找”自己最佳的工作位置，到热停堆状态一回路温度、压力稳定后，转子轴颈在滑动轴承中最终的工作位置才会确定下来[2]。这个过程反映在振动相位上就表现为振动高点的不断变化上。

2.2变化的轴封水流量改变了支撑刚度进而影响到转子振动

研究主泵的具体结构不难发现，保持一回路密封的1、2、3道液体密封与主泵的水导轴承统一构成了主泵转子系统的径向支撑体系。油膜（液膜）的厚度是影响滑动轴承刚度的因素之一，油膜越厚刚度越弱，反之则越强[3]。当轴封水流量变化时实际上就是改变了立式转子的支撑刚度，轴振动状态的变化也就不难理解了。另一方面，正常工作期间，立式转子处于脆弱的平衡状态，在刚度改变这一显著的扰动下，原先的稳定状态被破坏，一旦“不幸”不能重新找到新的平衡位置，涡动放大，振动状态也就不能回复到原先的水平了。

2.3预测性维修治理措施

通过对振动监测与故障诊断技术的运用，来对旋转机械振动数据与频谱做出分析，能够对机械设备的工作状态做出有效评价，进而使故障的问题得到及时发现，并对其做到及时安排与维修。这些工作，在旋转机械预测性修为当中，发挥了极为重要的作用。从实际角度来看，之前所提到的一些实际案例。例如，对于核反应堆冷却剂系统中主泵振动问题的处理，同时也是对旋转机械预测性维修要求的一种反馈。对于这一案例，当机组换料大修完成之后，向核反应堆的临界状态实施过渡时，当看到主泵振动水平，与警报值十分接近时，就需要对主泵频谱做出分析，同时运用现场的动平衡，来使主泵产生的振动，得到很好的降低，让主泵能够以正常的状态，在下一燃料循环运行当中，得以运用，避免功率在运行时，由于主泵出现问题，而影响正常工作。旋转机械故障预测工作在开展中，要想对振动监测与分析技术做好更好的运用，就需要利用以往数据与先进仪器做出分析。而对于大亚湾核电站来讲，早就将机械设备的振动状态记录在档案当中。同时振动测量软件与硬件设备，均是使用美国进口的。核电站机组在工作时，需按月、按季度发布核电站机械设备工作状态与发展趋势报告，从而为核电站的管理者，提供参考依据。机组换料大修之前，对机组在一年工作当中，出现设备故障与可能存在的问题进行提出，同时给出维修意见，来对大修活动提供参考。由此可见，诊断检测与分析，目前，已是旋转机械预测性维修当中的一大关键措施，对核电站安全运行有着不可磨灭的贡献。

2.4现场动平衡是对转子体系综合因素的平衡

通过对主泵轴心轨迹和时域波形的分析，我们可以发现，当主泵振动大时虽然都表现为工频振动占绝大部分，但实际上这个频率的振动幅值是由两个部分构成的：其一，转子系统真实存在的质量不平衡，这个分量绝对存在，只是大小的差别；其二，与转速频率同频的涡动频率，这个涡动是由于立式转予稳定性差而造成的，并随着离心力而不断加大。现场动平衡实际上是对转子热变量、水力不平衡、质量不平衡以及转子系统特定的工作条件（包括刚度、阻尼）等综合条件而进行的附加配重。这个配重一定要使得转子在滑动轴承中达到相对稳定的状态才算成功，否则这次平衡之后还会需要再次进行。同时运行当中主泵轴系工作状态（刚度、阻尼）的明显改变也会使得平衡的努力归于失败。

总结

本文对某核电厂主泵振动报警情况进行了简要介绍，对主泵的振动总量进行了对比，研究了主泵泵轴频率成分；对主泵振动波动进行了频率幅值对比，观察了主泵泵轴振动的轴心轨迹。基于对这些数据的分析，诊断了主泵振动报警的原因，最后提出了两个治理方向，结合振动报警的实际情况制定了振动治理方案，本文得到的主要结论如下：1）主泵泵轴振动的优势频率为工频和半频，主泵报警主要由这两个优势频率幅值较高引起。2）主泵泵轴存在半速水膜涡动。对于转子的水膜涡动，调节泵轴的轴封水流量可抑制涡动幅度，解决主泵泵轴振动闪发报警问题。

参考文献

[1]郑德旭，刘桂刚.核电厂主泵安全端焊缝体积检测的改进分析[J].核动力工程，2018，39（S2）：157-159.

[2]邓冬，赵立彬，张发云，李海涛，王岩，沈伟.AP1000核电厂主泵泵壳铸造及质量控制[J].核科学与工程，2018，38（06）：1031-1034.

[3]杜鹏程，许洪川.百万千瓦核电厂主泵推力轴瓦异常磨损原因分析与优化改进[J].水泵技术，2017（05）：36-38+43.