苏明远

摘 要：核电厂蒸汽转换系统是将主蒸汽系统的部分蒸汽转换成低压蒸汽，供用户使用，而给水泵是该系统运转的动力核心。某核电厂该系统的给水泵在运行2年后出现振动问题，频谱中100Hz电气故障特征突出，解决该问题有利于辅助蒸汽系统的健康运行。

关键词：振动 频谱 电气故障

中图分类号： TH 3 1 1文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

0.引言

核电厂设置蒸汽转换系统将主蒸汽系统的部分蒸汽转化为1.2MPa，188℃的低压蒸汽，供给核岛和常规岛系统和设备使用。某核电的2号机蒸汽转换系统（STR系统）2号给水泵（设备编号：2STR002PO）在2013年11月份开始运行，2015年9月初发现电机非驱动端水平向振动值达3.1mm/s，超过报警值2.8mm/s。而1号机蒸汽转换系统（STR系统）2号给水泵（设备编号：1STR002PO）的振动健康状态也不理想，在维修处理后3个月左右振动值发展变大到报警值以上。1STR002PO泵的依照振动故障模式，分别进行过更换泵驱动端轴承、重新进行联轴器对中、调整电机地脚螺栓等处理，但振动幅值随运行时间缓慢上升的问题在之前的处理方案中没能消除。为解决2STR002PO的振动问题，技术人员针对该问题开拓思路进行系列的试验和分析，逐一验证可能的振动故障模式，最终确定了主要原因，成功处理了该问题。

1.蒸汽转换系统给水泵设备信息简介

2STR002PO泵为上海阿波罗机械股份有限公司生产，型号：AHD40-90×2，卧式、单级、单吸离心泵；额定流量：42.13m?/h；额定扬程：177m；额定转速：2955rpm。

电机为佳木斯电机厂生产，型号：HY225M-2/45kW；电机轴承型号：SKF 6313/C3。

基础为上海阿波罗机械股份有限公司提供的泵和电机公用台板底座。

振动限值标准为：

电机：振动报警值2.8mm/s；停机值4.5mm/s

泵：振动报警值4.5mm/s；停机值7.1mm/s

2.2STR002PO泵振动不合格的问题

某核电厂在对设备的定期振动监测试验中发现2号机蒸汽转换系统2号给水泵（2STR002PO）振动值超过报警值，各测点振动值如表1所示。从表中数据可以看到在电机驱动端和非驱动端水平向振动值高，超出了报警值2.8mm/s，该测点的垂直向和轴向幅值降低；其他测点各方向幅值均不高，表征该振动特征与电机水平向的机械结构特征有关。

对各测点的振动数据进行频谱分析，能看到电机驱动端和非驱动端水平向的频谱特征一致，在FFT后的频谱图上，100Hz的尖峰突出，其他特征频率峰值均很小；除显著的电气故障频谱特征外，没有表征出其他的故障特征。电机驱动端水平向（MBD-H）点的频谱图见图一所示。为区分电气故障频率特征（100Hz）和2倍转速频率特征（99.48Hz），建立H200Hz-3200LRMS的采集定义（有较高的分辨率），确定该故障频率为电气故障频率。

3.2STR002PO泵振动问题的初步判断

查看该设备的历史振动数据，MBD-H测点的振动值是从2015年开始发展变大的，电机本体温度、电机电流等参数无明显异常。频谱中以精确2倍电源频率（100Hz）为主导，没有转子条通过频率等边带特征；也无其他明显故障特征（如1X，2X，轴承故障，噪音地坪…）；GSE值也无上升和尖峰（没有润滑不良、碰磨问题）。分析认为是都是由于定转子气隙不均，导致产生不均衡磁拉力，引起电机空载时轴向振动高。从设备的运行历史来看，认为电机定子发生形变导致气隙不均的可能性较大，而定子形变的立体图难以测量和描述，纠正形变的难度很大。

4.电机定子变形问题的验证和分析

为了验证电机定子变形问题是否是导致2STR002PO电机振动值上升的原因，技术人员进行系列测量和验证试验，通过收集数据来分析电机不可见的形变，分析振动值上升的原因。

检修车间内试验平台上的电机空载试验

将电机安放在检修间的试验平台上，对电动机的四个地脚与平台之间的间歇用塞尺进行测量，见图二电机地脚示意图。其中左前、左后、右后3个地脚为0.02mm塞尺距离；右前地脚有张角，塞尺为0.15mm距离。

在空载试验中，在固定板与电机底座接触的面积减小时，空载振动值的明显变化。主要表现为水平向的振动值增加量显著，MBND-H点值从0.8mm/s增长至1.9mm/s，超出了电机单转的验收标准1.8mm/s，MBD-H点的振动值也增长一倍以上，但其他方向上的振动值没有明显变化，验证了定子形变导致振动值上升的观点。在厂房内实际安装情况是螺栓垫片与电机底座的接触面积更小，导致电机定子的形变量会更大。

生产厂房内台板底座上的试验

测量2STR002PO配套的台板底座表面的水平度，水平度满足1mm/m的要求。制作增大与电机底座接触面积的垫块，和加软垫来增加接触面的方案，均不能减缓电机定子的形变情况（振动水平）。但松开地脚螺栓后，振动值有明显变化：电动机四个地脚螺栓紧固后，驱动端和非驱动端水平向振动值均在6mm/s以上；松开图二中的右前地脚螺栓后，振动值降低至4.5mm/s左右；松开右前、右后两个地脚螺栓后，振动值降低至1.1mm/s。

用百分表测量螺栓紧固给电机带来的形变量。电机处于未运行状态，先将电机脚下的底板面清理干净，移走所有的垫片，然后上紧电机的紧固螺栓。在台板底座架设百分表，通过松开在表旁的一颗电机地脚螺栓，观察百分表读数的变化。分别测得右前和左后两个地脚处的位移量为50μm，左前和右后处的位移量约5μm，表明该电机基座的形变刚好达到国标的控制限值50μm。

但分析螺栓紧固给电机带来的形变量对振动的实际影响：圆形的定子在垂直方向50μm的形变，导致水平方向的形变量应该很小，但水平向振动值发生了5倍以上的变化，垂直向的变化反而不大。振动大幅变化的原因除定子形变外，还应有其他原因。

5.电机固有频率拾取试验和分析

电机处于未运行状态下，在不同电机地脚螺栓紧固组合的情况下重点对电机MBD-H测点进行固频拾取试验，观察响应普中100Hz附近的尖峰特征：

电机底座4处地脚螺栓全紧固时，固有频率刚好在100Hz左右；

松开左前、左后地脚螺栓，固有频率为96Hz；

松开左前、左后、右后地脚螺栓，固有频率为90Hz；

松开右前地脚螺栓，固有频率为106Hz；

松开右前、右后地脚螺栓，固有频率为91Hz；

松开右后地脚螺栓，固有频率为100Hz。

试验结果表明电机安装在某状态的台板底座上，电机水平方向上的固频响应刚好在100Hz附近，振动值因共振原因会被放大。可通过在台板底座上焊接肋板、重新灌浆或更换台板的方式来避开共振。

在该电厂技术人员对2STR002PO所在的台板底座进行检查，发现台板与灌浆地面的右侧地脚螺栓有可紧固的裕度。在对台板底座上的螺栓按力矩要求上限进行紧固后，电机MBD-H测点进行固频拾取试验的结果见图三紧固台板底座螺栓后的固频拾取试验谱图。从敲击试验的频谱上可以看到，通过紧固台板底座上的地脚螺栓改变了台板与电机组合的整体刚度后，电机驱动端水平向上测得的固频响应的尖峰值从原来的100Hz左右上升到110Hz，离开了自身的电气故障频率（100Hz），共振情况被消弱。电机启动后水平向的振动值为1.4mm/s，空载试验合格，后续联泵后的振动值也合格，该问题处理完成。

6.总结

佳木斯电机厂生产的该系类电机使用在核电厂的多个系统中，电机振动值在一个换料周期内有明显上升，且以100Hz电气故障频率峰值突出的特征在多个系统中出现，并在多个核电厂中发生，技术人员投入了大量资源来分析处理该共性问题，积攒了丰富的技术经验，提供了诸多可行的方法。某核电厂从STR系统的设备上找到新的技术信息，从平台底座与电机共振的角度来分析和解决了问题，可供技术人员参照。

某核电厂2STR02PO的振动问题原因总结为因电机的设计技术、制造工艺等原因，自带有100Hz的频率为主的振动特征（在空载试验中能监测到）。电机基座与基础台面的配合面的平整度因加工精度、焊接变形和混凝土固化成型等各方面的差异带来水平度上偏差（存在虚角），长期运行会带了螺栓紧固力的变化引起转子形变，电机本身的激振力会变大。台板底座的设计、制造工艺等原因，在现场安装后固有频率会落在100Hz附近，钢质基础台板和内浇灌的混凝土膨胀系数有差异，温度变化会带来台板紧固螺栓的紧固力变化，改变台板的刚度（固有频率）刚好接近100Hz，引起明显振动。

在不能更换电机的情况下，通过紧固地脚螺栓，焊接肋板，重新灌浆或跟换台板来改变台板固有频率，避开100Hz频率10%以上来消除共振响应，降低振动值。

参考文献

[1] 黄志坚，高立新，廖一凡，等. 机械设备振动故障监测与诊断[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

[2] 杨建刚. 旋转机械振动分析与工程应用[M]. 北京：中国电力出版社，2007.