摘要：怎樣解釋大亞灣與嶺澳核電站配備的100型主泵在運(yùn)行中表現(xiàn)出的特殊振動(dòng)現(xiàn)象，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著管理與專業(yè)人員。本文在分析了幾種理論解釋后，通過(guò)對(duì)立式轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，全面解釋了主泵振動(dòng)問(wèn)題的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程，并相應(yīng)提出了預(yù)防思路。

    關(guān)鍵詞:主泵 動(dòng)平衡 動(dòng)力學(xué)

    1 反應(yīng)堆主泵的型式與結(jié)構(gòu)

    反應(yīng)堆主泵是壓水堆核電站一回路主要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，承擔(dān)著補(bǔ)償一回路冷卻劑壓力降、推動(dòng)冷卻劑循環(huán)等重要功能。大亞灣核電運(yùn)營(yíng)公司負(fù)責(zé)營(yíng)運(yùn)的大亞灣與嶺澳核電站共裝備12臺(tái)由法國(guó)JEUMONT-INDUSTRIES制造的100型主泵（每單元機(jī)組配備3臺(tái)）。每臺(tái)主泵均為空氣冷卻、三相感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的單級(jí)軸密封機(jī)組。整機(jī)是一臺(tái)立式組件，如圖1所示，從頂部到底部由電動(dòng)機(jī)、密封組件和泵的水力部件組成，串聯(lián)布置的三級(jí)軸封控制由泵軸的泄漏。由化容控制系統(tǒng)供應(yīng)的密封水注入到泵軸承和密封件之間，以防止反應(yīng)堆冷卻劑向上流動(dòng)，同時(shí)冷卻軸封和泵軸承。電動(dòng)泵組裝有三個(gè)徑向軸承和一個(gè)止推軸承，其中兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)止推軸承用來(lái)支撐電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，另一個(gè)徑向軸承形成泵軸承，它是水潤(rùn)滑軸承，由斯太立合金堆焊的不銹鋼軸頸和石墨環(huán)構(gòu)成的套筒組成。

    2 反應(yīng)堆主泵特殊的振動(dòng)問(wèn)題

    兩電站投入商運(yùn)以來(lái)，100型主泵陸續(xù)出現(xiàn)的特殊振動(dòng)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著專業(yè)技術(shù)人員，這些特殊的振動(dòng)問(wèn)題主要表現(xiàn)出如下特征。

    2.1主泵的振動(dòng)水平明顯地受到軸封水流量的影響

    2003年4月8日，嶺澳1號(hào)機(jī)由于投運(yùn)RCV上充泵下泄孔板，致使3號(hào)主泵軸封流量由2.0m3/h降低到1.7m3/h（系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求軸封流量控制在1.8m3/h），該泵軸振動(dòng)也由200μm下降到150μm，其后調(diào)高軸封流量到2.0m3/h，振動(dòng)水平又回升到190μm。值得注意的是，不同主泵的振動(dòng)狀態(tài)對(duì)軸封水流量改變的響應(yīng)是完全不同的，如2000年2月22日對(duì)D1RCP001/002/003PO進(jìn)行軸封水調(diào)整的試驗(yàn)（數(shù)據(jù)見(jiàn)下表）：

    軸封流量D1RCP001POD1RCP002POD1RCP003PO

    2.2m3/h160μm90μm200μm

    2.5m3/h155μm140μm180μm

    3.0m3/h155μm190μm160μm

    從上表可以看出：在軸封水流量由2.2m3/h增大到3.0m3/h后，1號(hào)泵振動(dòng)水平基本不變，2號(hào)泵軸振動(dòng)顯著增大，而3號(hào)泵則明顯減小。

    2.2主泵的振動(dòng)高點(diǎn)是不斷變化的

    如：1999年3月8日，在105大修后一回路升溫、升壓過(guò)程，記錄到D1RCP002PO振動(dòng)矢量的變化情況，在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)工頻分量為160μm/8°，升溫、升壓到熱停堆時(shí)這個(gè)振動(dòng)矢量變化到154μm/104°，也就是說(shuō)振動(dòng)方向變化了96°。

    2.3需要反復(fù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡降低振動(dòng)水平

    每當(dāng)主泵軸振動(dòng)急劇增大時(shí)，變化的主要頻率成分都是工頻（占通頻振動(dòng)的80%~90%），一般的處理方式是在熱停堆工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡降低振動(dòng)水平。但奇怪的是，經(jīng)過(guò)平衡的主泵再經(jīng)過(guò)一次簡(jiǎn)單的起停過(guò)程，又會(huì)表現(xiàn)出明顯的不平衡特征（即工頻振動(dòng)再度升高），而不得不再次進(jìn)行平衡。如：2000年3月5日，D1RCP003PO在106大修啟動(dòng)后軸振動(dòng)水平在熱停堆工況達(dá)到230μm，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)將軸振動(dòng)降低到140μm，隨后進(jìn)行惰走試驗(yàn)，該泵經(jīng)過(guò)一次簡(jiǎn)單起停過(guò)程，再次啟動(dòng)時(shí)原來(lái)經(jīng)過(guò)平衡的良好振動(dòng)狀態(tài)又出現(xiàn)反復(fù)，被迫進(jìn)行第二次平衡。

    2.4主泵啟動(dòng)次序的變化也會(huì)造成主泵振動(dòng)狀態(tài)的劇烈變化

    如：2003年4月17日109大修后期，機(jī)組回到熱停堆狀態(tài)，D1RCP002PO軸振動(dòng)良好，進(jìn)行惰走試驗(yàn)同時(shí)停運(yùn)三臺(tái)主泵，隨后按照1、3、2的順序依次啟動(dòng)主泵，002PO原本振動(dòng)在90μm，再啟動(dòng)后急劇上升到200μm，隨后進(jìn)行第二次惰走試驗(yàn)，三臺(tái)主泵同時(shí)停運(yùn)后按照1、2、3的順序再次啟動(dòng)，002PO軸振動(dòng)水平又恢復(fù)到100μm的良好水平。而期間除了改變啟動(dòng)次序以外沒(méi)有任何其他操作。

    3 當(dāng)前對(duì)主泵振動(dòng)問(wèn)題的幾種理論解釋及其局限性

    3.1質(zhì)量不平衡

    質(zhì)量不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題的主要原因之一。根據(jù)一般的振動(dòng)分析理論，轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡時(shí)主要的頻譜特征是工頻分量占到振動(dòng)總水平的80%以上。這一點(diǎn)應(yīng)該與我們采集的頻譜表現(xiàn)一致。加之每次解決主泵振動(dòng)問(wèn)題都是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的方式，因此有人便認(rèn)為主泵轉(zhuǎn)子上一定存在質(zhì)量平衡問(wèn)題需要不斷矯正。

    事實(shí)上轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡還有一個(gè)基本特征，那就是相位基本穩(wěn)定，這一點(diǎn)明顯與主泵振動(dòng)矢量存在變化的事實(shí)不符，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡進(jìn)行處理后，在較短的時(shí)間里一般不會(huì)出現(xiàn)需要頻繁矯正的情況。很明顯，反應(yīng)堆主泵的振動(dòng)問(wèn)題不是完全由于質(zhì)量不平衡造成的。

    3.2固體硼結(jié)晶在軸承內(nèi)表面造成的缺陷

    針對(duì)主泵存在的振動(dòng)問(wèn)題，我們向法國(guó)電力公司（EDF）發(fā)文，希望對(duì)方可以利用其雄厚的技術(shù)實(shí)力與豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)給我們幫助。EDF在回文中承認(rèn)他們的電站也存在同樣問(wèn)題，同樣也是通過(guò)動(dòng)平衡來(lái)解決，但遺憾的是對(duì)于根本原因?qū)Ψ揭材砸皇牵皇腔\統(tǒng)地提到固體硼結(jié)晶在軸承內(nèi)表面造成的缺陷可能是造成振動(dòng)的原因，等等。

    對(duì)于這個(gè)解釋我們并不認(rèn)同。首先，軸承存在缺陷的設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題不可能通過(guò)平衡解決；其次，軸承存在缺陷導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)較高也不可能通過(guò)調(diào)整軸封水流量來(lái)得到緩解?？梢哉f(shuō)，EDF提供的這個(gè)解釋完全不能說(shuō)明我們面對(duì)的振動(dòng)現(xiàn)象，因而是不能令人信服的。

    3.3主泵軸系的熱變量

    一段時(shí)間以來(lái)，主泵軸系的熱變量被認(rèn)為是造成主泵振動(dòng)問(wèn)題的主要原因。這個(gè)解釋認(rèn)為主泵大軸各向、各個(gè)部件的溫度差異導(dǎo)致主泵轉(zhuǎn)子存在一個(gè)熱變量，正是由于這個(gè)熱變量的存在和不斷變化才造成主泵軸振動(dòng)表現(xiàn)出特殊性。

而每次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)就是對(duì)這個(gè)熱變量進(jìn)行平衡。
    應(yīng)該說(shuō)，熱變量的理論基本可以解釋前面列舉的問(wèn)題，如：轉(zhuǎn)子存在隨工況而變化的熱變量會(huì)造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)矢量的變化，熱變量在一定程度上也確實(shí)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡來(lái)矯正，等等。但熱變量的解釋卻不能完全說(shuō)明軸封水流量的改變到底是如何明顯影響到轉(zhuǎn)子軸振動(dòng)的。同時(shí)兩次簡(jiǎn)單的起停過(guò)程就會(huì)引起軸振動(dòng)劇烈變化用該理論也無(wú)法完美地作出解釋。據(jù)此，可以說(shuō)熱變量應(yīng)該是導(dǎo)致主泵振動(dòng)的因素之一，但卻不是根本原因。

    4 轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中的動(dòng)力學(xué)特性是主泵振動(dòng)問(wèn)題的根本原因

    臥式動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)臥式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的動(dòng)壓液膜對(duì)轉(zhuǎn)子有一個(gè)承載力，這個(gè)力與轉(zhuǎn)子自重會(huì)在某一位置取得平衡，使得轉(zhuǎn)子軸心與軸承的中心形成一個(gè)穩(wěn)定的角度。在轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心形成的離心力擾動(dòng)下，轉(zhuǎn)子中心會(huì)在這個(gè)固定位置做小范圍的弓型渦動(dòng)，其頻率與轉(zhuǎn)子工頻同步。

    與臥式轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)不同，立式轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中缺少轉(zhuǎn)子重力這個(gè)負(fù)載（如圖2）。由圖可見(jiàn)，軸承中心為O，軸頸中心O’因不平衡而偏離O時(shí)，軸頸和軸承間隙沿周向是不均勻的。潤(rùn)滑液被軸頸帶動(dòng)，順著轉(zhuǎn)動(dòng)方向從較寬的間隙流進(jìn)較窄的間隙而形成液楔對(duì)軸頸有擠壓力作用。設(shè)軸承的全部液膜對(duì)轉(zhuǎn)子軸頸的總壓力F位于擠壓的一側(cè)并朝向軸頸中心O’，將力F分解為O’的徑向力Fe和周向力Fτ。分力Fe起支持軸頸的作用，相當(dāng)于轉(zhuǎn)軸的彈性力，分力Fτ垂直于O’的半徑并順著轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使O’的速度增大，就是使轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的力。從直觀上來(lái)看就好象液膜"推"軸在軸承內(nèi)作環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性較好的設(shè)計(jì)，這個(gè)渦動(dòng)會(huì)約束在較小的范圍，但對(duì)于缺少重力負(fù)載的立式軸系而言，穩(wěn)定性差，這個(gè)渦動(dòng)一旦出現(xiàn)會(huì)比較容易呈現(xiàn)發(fā)散運(yùn)動(dòng)。

    這個(gè)由于立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差造成的較大范圍的渦動(dòng)在現(xiàn)場(chǎng)采集的軸振動(dòng)的軸心軌跡圖和時(shí)域波型上可以清晰地找到。

    正常穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子由于必然存在的離心力的作用，軸心軌跡會(huì)表現(xiàn)出近似一個(gè)橢圓，且約束在較小的范圍，如嶺澳2號(hào)機(jī)3號(hào)主泵在第一燃料循環(huán)周期內(nèi)軸振動(dòng)水平在50μm左右（如圖3）。嶺澳1號(hào)機(jī)3號(hào)主泵在第一燃料循環(huán)的大部分時(shí)間軸振動(dòng)都維持在200μm的較高水平，其軸心軌跡明顯發(fā)散且表現(xiàn)出明顯的"8"字型特征（如圖4），說(shuō)明振動(dòng)信號(hào)除主頻率以外還有一個(gè)較大的擾動(dòng)存在。再觀察時(shí)域波形的圖形（如圖5），主泵電機(jī)工作頻率（25Hz）非常清晰，但每一個(gè)由于離心力而產(chǎn)生的正弦波上都負(fù)載了一個(gè)與工作頻率同頻率的分量，將這兩個(gè)峰值的幅值相加基本上與頻譜上的工頻分量相吻合。由此可以看出，主泵頻譜上的工頻分量實(shí)際上是由幾個(gè)同頻率的分量構(gòu)成（主要包括質(zhì)量偏心、轉(zhuǎn)子渦動(dòng)等），要大幅度地降低工頻振動(dòng)僅僅平衡質(zhì)量偏心是不夠的，幫助轉(zhuǎn)子穩(wěn)定下來(lái)，消除這個(gè)同頻擾動(dòng)后軸振動(dòng)才會(huì)下降到理想的水平。

    可以進(jìn)一步認(rèn)為，這個(gè)由于立式轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定而產(chǎn)生的渦動(dòng)最初會(huì)由于滑動(dòng)軸承液膜的剛度而限制在小范圍，但運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，無(wú)疑會(huì)增大離心力，而離心力又增大渦動(dòng)力，需要不斷增加剛度來(lái)約束大范圍的渦動(dòng)，軸承液膜會(huì)越來(lái)越薄，最終振動(dòng)幅值超過(guò)軸承間隙，使得動(dòng)靜摩擦，破壞設(shè)備。事實(shí)上大亞灣1號(hào)機(jī)3號(hào)主泵在第九個(gè)燃料循環(huán)中軸振動(dòng)水平最大到220μm，在軸心軌跡圖上出現(xiàn)了碰磨的跡象，大修檢查該泵的水導(dǎo)軸承發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)磨損的坑槽。

    5 運(yùn)用新的理論來(lái)解釋主泵的振動(dòng)現(xiàn)象

    了解了立式轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特征就可以比較全面地解釋主泵出現(xiàn)的這些"奇特"的振動(dòng)現(xiàn)象了。

    5.1變化的軸封水流量改變了支撐剛度進(jìn)而影響到轉(zhuǎn)子振動(dòng)

    研究主泵的具體結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，保持一回路密封的1、2、3道液體密封與主泵的水導(dǎo)軸承統(tǒng)一構(gòu)成了主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的徑向支撐體系。油膜（液膜）的厚度是影響滑動(dòng)軸承剛度的因素之一，油膜越厚剛度越弱，反之則越強(qiáng)。當(dāng)軸封水流量變化時(shí)實(shí)際上就是改變了立式轉(zhuǎn)子的支撐剛度，軸振動(dòng)狀態(tài)的變化也就不難理解了。另一方面，正常工作期間，立式轉(zhuǎn)子處于脆弱的平衡狀態(tài)，在剛度改變這一顯著的擾動(dòng)下，原先的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，一旦"不幸"不能重新找到新的平衡位置，渦動(dòng)放大，振動(dòng)狀態(tài)也就不能回復(fù)到原先的水平了。

    5.2工作環(huán)境的改變影響了轉(zhuǎn)子在軸承中的工作位置

    事實(shí)上，在大修后一回路升溫、升壓過(guò)程中，主泵轉(zhuǎn)子軸系就在不斷適應(yīng)轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境，"尋找"自己最佳的工作位置，到熱停堆狀態(tài)一回路溫度、壓力穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)子軸頸在滑動(dòng)軸承中最終的工作位置才會(huì)確定下來(lái)。這個(gè)過(guò)程反映在振動(dòng)相位上就表現(xiàn)為振動(dòng)高點(diǎn)的不斷變化上。

    5.3現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是對(duì)轉(zhuǎn)子體系綜合因素的平衡

    通過(guò)對(duì)主泵軸心軌跡和時(shí)域波形的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主泵振動(dòng)大時(shí)雖然都表現(xiàn)為工頻振動(dòng)占絕大部分，但實(shí)際上這個(gè)頻率的振動(dòng)幅值是由兩個(gè)部分構(gòu)成的：其一，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)真實(shí)存在的質(zhì)量不平衡，這個(gè)分量絕對(duì)存在，只是大小的差別；其二，與轉(zhuǎn)速頻率同頻的渦動(dòng)頻率，這個(gè)渦動(dòng)是由于立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差而造成的，并隨著離心力而不斷加大?，F(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子熱變量、水力不平衡、質(zhì)量不平衡以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)特定的工作條件（包括剛度、阻尼）等綜合條件而進(jìn)行的附加配重。這個(gè)配重一定要使得轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承中達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)才算成功，否則這次平衡之后還會(huì)需要再次進(jìn)行。同時(shí)運(yùn)行當(dāng)中主泵軸系工作狀態(tài)（剛度、阻尼）的明顯改變也會(huì)使得平衡的努力歸于失敗。

    6 提高立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的方法

    6.1實(shí)際中可以操作的手段

    立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問(wèn)題是在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)就確定了，但這并不意味著運(yùn)營(yíng)單位一定無(wú)所作為。支撐系統(tǒng)的剛度、滑動(dòng)軸承的間隙、質(zhì)量平衡的精度等諸多因素都可以影響到轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。在實(shí)踐中如果主泵振動(dòng)較大，在檢修過(guò)程中可以重點(diǎn)檢查：

    （1）軸承、密封等支撐系統(tǒng)螺栓的緊力。在轉(zhuǎn)子擾動(dòng)力一定的情況下，剛度越大振動(dòng)的響應(yīng)就越小。支撐系統(tǒng)處于設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)有利于提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

    （2）轉(zhuǎn)子與滑動(dòng)軸承的間隙。間隙過(guò)大的滑動(dòng)軸承可以讓小的不平衡、不對(duì)中引起大的振動(dòng)。

    （3）盡量提高轉(zhuǎn)子的平衡精度。根據(jù)振動(dòng)理論，不平衡擾動(dòng)力在任何轉(zhuǎn)子上都會(huì)存在。提高平衡精度有利于減小對(duì)穩(wěn)定性脆弱的轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)。當(dāng)然對(duì)渦動(dòng)占據(jù)主要成分的情況，進(jìn)一步提高平衡精度非常困難，此時(shí)還是應(yīng)該在幫助轉(zhuǎn)子穩(wěn)定方面多下功夫。

    6.2最終解決主泵振動(dòng)問(wèn)題的理論探討

    為了解決立式轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差的問(wèn)題，國(guó)外有的技術(shù)文獻(xiàn)提出建議，要求在安裝立式轉(zhuǎn)子的靠背輪時(shí)預(yù)置一個(gè)偏心，用轉(zhuǎn)子偏心的撓性力來(lái)提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，當(dāng)然這個(gè)偏心量應(yīng)該是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算的數(shù)值，它既能夠提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性又保證軸系不會(huì)由于太大的偏心而造成設(shè)備損壞?？梢砸笾鞅玫膹S家進(jìn)行這項(xiàng)工作。

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