核电站SEC水泵电机振动原因分析与处理

      3、4号机组各有4台SEC泵（极重要厂用水泵），为核三级泵，其电机型号为HYL630-6，电压6.6kV、额定功率500kW、空载转速1000r/min。电机空载时在基础上的振动限值为2.3mm/s，带载时电机和泵的振动限值均为2.8 mm/s。3号机组在安装阶段，该电机振动经长时间调整未合格。
      一、振动情况
      SEC泵为立式泵，振动测点的布置如图1（a）所示：依次在靠近轴承处布置Ml、M2、P1、P2 共计4个测点。每个测点包含3个方向：H（水平）方向、V（垂直）方向和A方向。A方向为电机轴向，H方向和V方向如图1（b）所示。
      在试车中，3号机组4台泵均出现振动超标现象。振动超标位置均为电机非驱动端Ml测点的H方向和V方向，Ml测点A方向振动合格，其他测点的3个方向都合格。经多次反复对电机解体检查，包括动平衡、轴承等，未见明显缺陷，但电机支架法兰水平度超过厂家要求的0.1 mm/m，且法兰面的跳动已超过0.1 mm，于是就地车削电机支架上法兰，车削达0.06 mm以内后重新试车，4台电机振动值仍然超标。后采用在电机支架上法兰和下法兰两个结合面之间加垫不锈钢垫片的方法，最终勉强使1号泵和3号泵振动合格，而 2号、4号泵振动始终无法合格，各泵调整后的振动情况如表1所示。 
      
         
      二、原因分析
      从表1中可以发现，无论是在空载还是负载情况下，Ml V方向的振动均大于Ml H方向的振动。通过对电机支架结构分析，如图1（b）所示，可以发现，电机支架分别用4个M30螺栓固定在3个独立的水泥基础上。但3个水泥基础并非呈120°均布，其中基础1在H方向，基础2、3与基础1夹角均为135°。重要的是H方向支架的下方是水泥基础1，直接受到支承，而V方向下方是水泥基础之间的悬空位置，再加上支架刚度差等因素，这样3个基础在H方向提供的支承刚度显然大于V方向。因此，发现“支承位置的差异”后，Ml H 方向的振动始终小于Ml V方向振动的现象就不难解释了。
      同时针对四台泵中2号电机的振动最大，为进一步排除电机本身的问题，将振动已合格的1号电机调换至2号电机支架上，结果1号电机振动超标，1号电机支架上的2号电机振动却合格，由此基本排除了电机本身的问题。这种情况下再针对性地对2号电机进行频谱分析，发现电机在空载下的1倍频16.6 Hz，而电机固有频率Ml H方向和Ml V方向分别为22.8 Hz、16.9 Hz，其中Ml V方向的固有频率接近转动频率，也验证了上述“支承位置的差异”带来的影响。
      根据振动力学可知：系统的激振频率与固有频率接近时，振动会被放大。λ为激振频率与固有频率之比，λ在0.8～1.2区域间视为共振区，距λ＝l（峰值处）越近，发生振动的可能性越大 且振幅越大。SEC泵电机的频率比λ计算如下：
      λ＝ω/ωn＝转动频率/固有频率＝16.6/16.9＝0.98     （1）
      由此可见，SEC泵电机正处在共振区域中，外界微小的扰动均有可能被放大，使得振动水平急剧上升。在工程上为使系统偏离共振区，一般采用改变设备的结构来改变频率比λ，从而达到振动治理效果。
      另外电机支架是由多块钢板焊接而成，原采用焊后振动法释放焊接应力，但因支架体积和重量均较大，难以彻底消除焊接应力。从电机上法兰水平度和跳动超标可知，焊接应力未得到有效释放。
      同时发现：支架筒体下端圆的半径为999 mm，3个水泥基础内切圆半径为1200 mm，这就造成支架筒体外缘ab的下部支承点b未支承在刚性水泥基础的预埋件上，而是坐落在厚度为35mm的悬空ɸ2700 mm法兰板上，加强筋外缘cd的下部支承点d也仅仅只是靠近水泥基础预埋件边缘，这种结构类似悬臂结构，使得电机处于支承在弹性体上的状态。
      在图1（b）中可以发现，电机支架的人孔共有两个，其中人孔1位于水泥基础1、2之间，人孔 2位于水泥基础3上，人孔的高度为880 mm，而支架的总高度才1066 mm，人孔髙度约占筒体高度的4/5，且支架在人孔区域无加强筋，对支架刚度而言更是雪上加霜。
      三、改进及效果
      1、结构改进
      为使支架刚度提高，并使支架上的力直接传递到水泥基础上，对支架部件进行改进。表2为支架各部件改进前、后对比。筒体、上法兰、下法兰筋 板厚度均有大幅提高，另外支架的加强筋数量由 10根提高至17根。
      
      将筒体外缘下部支承点由b点向外移动205 mm，加强筋外缘下部支承点由d点向外移动120 mm。
      另从检修实际情况考虑，人孔保留一个即可。人孔 1的位置调整至水泥基础的正上方，取消了人孔2，在水泥基础的上方分别增设了小直径的手孔。手孔的设计主要是便于电机支座内外部人员的联络及一些辅助作业，手孔形状采用圆孔，圆孔的直径为500 mm，同时手孔区域加设了两条加强筋，最大限度地提高支架刚度和机械阻尼。
      2、工艺改善
      为有效释放支架的焊接应力，对制造工艺实施改善。要求支架在拼焊时对每一条焊缝焊两遍，且要求双面均要焊接。在焊接完成后，不再采用振动方法来消除应力，而采用高温回火热处理工艺进行处理。
      由于电机支架下法兰与水泥基础中的预埋垫铁是通过螺栓联接，因此支架与预埋垫铁的联接刚度将影响电机和支架整体刚度，需确保预埋垫铁与电机支架下法兰之间75%面积处于接触状态，禁止预埋垫铁和电机支架下法兰存在大面积局部空隙状态下强行拧紧联接螺栓。由于支架上法兰的水平度影响着电机转子的垂直度及电机运行时噪声甚至振动，因此支架的平行度由0.1 mm/m提高至0.05 mm/m，法兰面的表面粗糙度由原来的12.5μm提高至6.3μm。同时，为提供安装精度，保证支架安装后上法兰的水平度，要求保证三块预埋垫铁平面必须在同一水平面上，水平度要求为0.03 mm/m。
      3、效果
      支架按照改进后的方案进行制造、加工后，在电机安装过程中，支架各法兰之间不加任何垫片及不采取任何调整措施条件下，直接一次安装到位。经现场测量，电机非驱动端低阶固有频率由原16.9 Hz提高至27～30Hz区间，改进后的频率比λ计算如下：
      λ＝ω/ωn＝转动频率/固有频率＝16.6/27＝0.61        
      设计改进后频率比接近0.61，远离频率比λ＝1的共振峰值，放大系数显然比改进前减小，使电机对系统扰动下诱发振动的敏感性下降。3号机组4台电机空载和带泵运转时，最大振动分别为0.5 mm/s、0.6 mm/s，振动处于优良范围，高于同类电厂相同设备运行水平，改造成功。
      作者：（1）郑晓彤 上海上电电力工程有限公司 （2）李振、杜鹏程、石屹峰 福建福清核电有限公司