某百万千瓦核电厂核二级电动辅助给水泵振动超标处理与优化分析
某百万千瓦核电厂核二级电动辅助
给水泵振动超标处理与优化分析
杜鹏程
（福建福清核电有限公司，福建福清；350318）
摘要：电动辅助给水泵是核电厂核安全专设特有设备，在事故工况下起到紧急向蒸发器补水的重要核安全功能；某百万千瓦核电厂电动辅助给水泵为首次国产化设备，在出厂试验和现场调试期间先后出现振动超标技术问题，主要从问题现象入手，通过根本原因分析方法确定缺陷原因并提出优化改进措施匸通过优化改进，该泵相关振动性能指标已全部达到运行要求。
关键词：核电厂用泵电动辅助给水泵国产化振动改进
中图分类号：TH311文献标识码：A
引言
电动辅助给水泵（简称电辅泵、ASG泵，下同）是核电厂核安全专设关键设备，该设备同时也是核电厂
泵中仅次于核一级主泵的核二级关键泵。其功能为核电厂事故工况下当主给水泵功能丧失时，由电辅泵与汽辅泵配合，向蒸汽发生器供水，使得一回路维持一个冷源，以排出反应堆所释放的热量，直到余热排出系统可以投入正常运行为止，从而保证核电站的安全员工奖罚制度
目前，国内核电站中电辅泵国外供货商主要为德国KSB、英国CLYDE、日本三菱等公司，某百万千瓦核电厂1、2号机组电辅泵为英国CLYDE设计制造，3、4号机组采用首次国产化的电辅泵。国产化电辅泵在首次出厂试验和首次现场调试期间岀现振动超标问题，经过根本原因分析和设计优化改进，最终这个问题得到彻底解决，目前全部性能 参数均已满足设计要求。
1泵结构原理概述
某国产化电辅泵总体设计结构采用卧式12级叶轮串联布置（外形图见图1），其设计工况为：设计流量：101m3/h
设计扬程：1125m
设计压力：15MPa（入口最大压力0.3MPa）
泵额定转速：2980r/min
轴承布置结构：驱动端采用圆柱滚子轴承，非驱动端采用圆锥滚子轴承。
2泵振动超标根本原因分析
21泵超标问题描述
在电辅泵出厂试验时，发现在额定运行工况点101nF/h时，驱动端轴承振动高达10mm/s，超过报警限值4.5mm/s，且振动呈现发散趋势，其他包括轴承温度等未见异常。
图1
某百万千瓦核电厂国产电辅泵外形图
在现场调试期间，发现在小流量工况下，电辅 泵非驱动端轴承振动超标，振动峰值超过7mm/s,
且同时发现非驱动端轴承温度随运行时间增加而逐
侠盗车手攻略渐发散，在运行仅10分钟时温度即超过90T 且仍 有明显快速增加和发散趋势，后经现场安装虚角检
查处理重新启泵后，非驱动端轴承岀现异音，停泵
解体后发现轴承保持架已断裂，圆锥滚子已出现异
常磨损，如图2所示。
2.2根本原因分析
针对电辅泵驱动端和非驱动端轴承振动超标问
题，根据ISHIKAWA 分析法，分别从设计、支承
刚度、润滑、测量、轴承温度和叶轮安装外部影响 等6个角度进行根本原因分析与排查，初步分析可 能影响轴承振动的主要因素，具体如图3所示。
2.3根本原因排查
(1)振动测量可能存在偏差影响分析
经组织现场振动实测及频谱分析，发现轴承真 实振动与探头显示值一致，可以排除振动测量偏差
的可能性。
同时，组织频谱分析发现，振动优势频率为二 倍频(49. 80 Hz)且同时存在高倍频优势频率分频
振动(99.93 Hz)，如图4所示。
(2) 轴承温度异常偏高对振动叠加影响分析
如表1、表2所示，经组织对轴承温度与非驱 动端轴承振动关联性分析，在泵启动运行后，在外 部增加临时冷却风扇。在外部临时冷却风扇投运前
后，持续观察非驱动端轴承温度与振动相随性关
联，发现在泵轴承温度较低时，泵振动水平较低， 当泵轴承温度快速增加时，泵轴承振动岀现明显波
动且均值随之增加。
经对比轴承温度与轴承振动关联影响分析，发
现轴承温度快速升高后，由于滚子轴承油膜厚度和
支承刚度随轴承温度升高而有一定下降，轴承振动 出现一定升高，从实测来看，轴承H 、V 、A 三个
方向均存在不同程度升高且升高趋势一致，进一步
验证轴承温度对振动叠加关联影响。
(3) 部件装配偏差对振动影响分析
针对频谱分析中测得高倍分频振动存在，为降
低各级叶轮出口流体存在共模激励可能性，同时均
匀匹配各级叶轮出口流场，对泵内部各级叶轮岀口 角度实施调节，使得每相邻的叶轮叶片出口角度形
成“错位”布置，如图5所示。
小结：经对出口叶片安装角度调节后，泵轴承 振动有一定抑制，泵驱动端轴承振动峰值由7 nini/s
降至5. 5 mm/s，驱动端振动改善效果明显。
图2非驱动端轴承滚子表面磨损、保持架断裂情况4ASG002PO-M2H  Motor  Inboard  Horizontal
Analyze  Spectrum  30-三月-17 20:25:52 PK=.O21O LOAD= 100.0
RPM=2978.(49.63 Hz)
0. 024
0.018
0.012
0. 006
0. 000
4NI-4ASG002PO
0 100
200 300 400 500
Frequency  in  Hz
图3 ISHIKAWA 分析法
四级总分多少图4
电辅泵轴承振动频谱分析(小流量)
表1轴承温度偏低时轴承振动情况(外部冷却风扇投运)小流量(轴承温度较低时)H V A
电机非驱动端/(mm/s)  1.80.7  1.1
电机驱动端/(mm/s)  1.90.9  1.1
泵驱动端/(mm/s)  1.4  1.20.7
泵非驱动端/(mm/s)  4.2  1.9  1.7
表2泵启动后轴承温度快速升高时轴承振动情况
(外部冷却风扇停运)
小流量(轴承温度快速增加时)H V A 电机非驱动端/(mm/s)  2.1  1.3  1.1
电机驱动端/(mm/s)  2.4  1.1  1.2
泵驱动端/(mm/s)  1.3  1.0  1.4
泵非驱动端/(mm/s)7.0  2.7  1.0
(4)润滑冷却偏差对振动影响分析
针对轴承温度岀现异常升高及振动波动现象，为进一步排查润滑油质影响，组织对电机轴承振动进行频谱分析，发现：电机轴承优势频率存在99.88Hz的分频振动，经组织对电机轴承润滑脂检查更换发现存在一定变质发黑迹象，如图6所示。
图5电辅泵叶轮出口角度调节
图6电机轴承润滑脂更换情况
润滑脂更换后，泵非驱动端轴承振动由7.0mm/s 下降至5.4mm/s，振动峰值下降约22.8%，非驱动端振动有一定缓解。
(5)加工制造偏差对振动影响分析
为排查设备自身部件加工及动平衡是否存在偏差，组织对泵各转子部件进行尺寸和配合间隙检查，经核实：出现轴承振动偏高，泵的转轴挠度高于其他泵转轴，岀现振动超标泵转轴挠度值为0.6mm，其他转轴均＜0.5mm.经分析初步判断为该转轴个体材料硬度偏差所致。
为消除转轴挠度偏差导致高倍振动分频存在，通过更换静态挠度更好的转轴，更换后驱动端轴承振动由5.5mm/s下降至3.5mm/s，满足设计要求。
(6)轴承支承刚度不足对振动影响分析
为彻底解决电动辅助给水泵电机运行期间轴承温度异常波动问题，组织对该电机进行返厂检修并更换新润滑脂，检修后再次带载启动，发现电机轴承温度问题已解决，电机轴承温度保持在30~ 40七之间且无明显波动趋势。
但泵自由端水平方向振动再次超标，达到5.7mm/s。通过频谱分析，发现导致振动增加的仍是99.88Hz(与共振频率相似)，由于共振主要与基础及支承刚度有关，经分析：为加强泵组支承刚度，抑制共振现象，考虑在泵支承上增加斜拉伸支承及泵轴承底座处增加支承筋板。
3优化改进及验证
3.1设计上增加强迫换热风扇，彻底解决轴承温度偏高问题
根据上述对泵启泵后轴承温度曲线分析，在启泵后泵自由端轴承温度持续升高且达到85T以上时仍保持升高趋势。在对泵轴承解体检查时，未发现轴承自身出现异常磨损，且未发现轴承室油质颗粒度超标。
根据上述排查、分析，泵自由端轴承温度散热量与发热量无法达到动态平衡，即：发热量〉散热量，导致泵轴承温度持续升高。
为提高泵轴承散热量，在泵自由端轴承端部增加冷却风扇(见图7)，改进后再次启泵验证，泵自由端轴承温度从高于86七下降至76.7且保持稳定，同时泵自由端轴承振动从5.7mm/s下降至4.4mm/s且保持稳定，未再出现明显波动现象
，
改进效果明显。
3.2安装基础增加外部固定支承，改变泵组
固定频率抑制共振问题
为彻底解决电动辅助给水泵运行期间振动偏高
问题，根据上述分析，在泵支承上增加斜拉伸支承
及泵轴承底座处增加支承筋板，提高了泵基础及轴
承基础的刚度，如图8所示。
经再次带载启动，泵自由端轴承振动下降至
3.3mm/s且保持稳定，满足了设计要求且保持一
定裕度。
3.3设计改进对泵组固有频率影响计算分析清明节小长假
1）无风扇的转子一阶固有频率分析
根据原设计抗震分析报告给岀，当转子未增加
风扇时，转子质量m,=203kg，一阶固有频率为Z
=60.949Hz o
2）设计上增加风扇组件的转子一阶固有频率
分析（见图9）
图9设计增加叶轮风扇对转子固有频率影响分析
图7设计增加改进冷却风扇图8现场泵组增加斜拉伸支承
以m|=203kg、-60.949Hz、m2-3.78kg、/=497.98Hz，代入转子模态分析计算公式得到：增加风扇组件的辅助给水电动泵转子一阶固有频率f=60.38Hz o泵的额定转速2980r/min，即：外界激励频率为2980/60=49.7Hz,60.38/49.7=1.21 >1.10（设计规格书要求至少为1.1倍）知，满足计算规格书规定的避免共振要求。
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4结论
从核二级电辅泵振动超标根本原因分析入手，通过对泵组轴承温度、振动两个关联参数进行优化分析和耦合关联分析，最终通过改善轴承冷却能力和泵组支承刚度两个方面，彻底解决轴承振动超标问题，为后面同类型泵组振动超标治理提供了较好的工程参考。
参考文献
[1]袁寿其，施卫东，刘厚林.泵理论与技术[M].北京：机械
工业出版社，2014.
[2]穆丽红，张增强，马俊杰.我国核电站核泵现状及国产化前
景[J].水泵技术,2009（3）：1-3,11.
（本文编辑陈丽霞）
（收稿日期2019-06-11
世界杯结束时间是几号
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