凝升泵振动异常原因分析与改进措施研究

李轶 唐吴宇 舒畅

第一作者简介：李轶（1986－），男，工程师。研究方向为核电设备设计及技术改造。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.034

摘  要：凝升泵是核电厂设备冷却水系統的重要设备，巡检中发现3台凝升泵振动异常。凝升泵振动异常会影响机组的安全运行，因此需要对其振动异常原因进行分析并提出应对措施。基于振动测试结果，对凝升泵电机、泵体及附属管线振动特性进行深入分析，并对附属管线开展CFD计算分析，获知凝升泵及其附属管线的振动异常的原因，提出解决凝升泵及其附属管线振动异常的应对措施，为解决核电厂凝升泵振动异常奠定技术基础。

关键词：凝升泵；振动；异常原因；CFD；应对措施

中图分类号：TH3        文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0140-04

Abstract： The condensate lift pump is an important equipment in the cooling water system of the nuclear power plant， and the abnormal vibration of three condensate lift pumps was found during the inspection. Abnormal vibration of condensate lift pump will affect the safe operation of the unit， so it is necessary to analyze the causes of abnormal vibration and put forward countermeasures. Based on the vibration test results， the vibration characteristics of the condensate pump motor， pump body and auxiliary pipelines are analyzed deeply， and the CFD calculation and analysis of the auxiliary pipelines are carried out， the causes of the abnormal vibration of the condensate pump and its ancillary pipelines are obtained， and the corresponding countermeasures to solve the abnormal vibration of the condensate pump and its ancillary pipelines are put forward， which lays a technical foundation for solving the abnormal vibration of the condensate pump in the power plant.

Keywords： condensate pump; vibration; abnormal causes; CFD; countermeasure

旋转机械或管道过大的振动不仅会降低相关设备的性能，同时可能会引发管道振动疲劳[1-2]。秦山核电有限公司320 MW机组常规岛凝结水系统布置有3台凝结水升压泵（以下简称“凝升泵”），巡检中发现3台凝升泵及附属管线振动状态异常，泵的剧烈振动会对管线的薄弱部位及管线上的设备造成严重损伤，严重时可能引发设备故障，如阀门不能正常开闭、反馈线断裂、管线根部焊接位置出现裂纹等缺陷，从而威胁机组的安全稳定运行[3]。为了评估凝升泵及附属管线的振动并为后续振动治理提供振动分析数据，对凝升泵附属管线进行了振动及模态测试，并以此为基础开展系统振动原因分析，找出凝升泵及附属管线振动异常的原因，提出解决振动异常的应对措施，以确保机组的安全稳定运行。

1  振动原因分析

由于凝升泵及附属管线振动异常现象存在时间长，且引起振动原因比较复杂[4]，所以需要开展现场测试以便分析凝升泵及其附属管线的振动特性[5-6]，并结合热工水力计算找出造成凝升泵及其附属管线振动异常原因，为解决凝升泵振动异常提供依据。

1．1  振动测试原理

采用加速度计测量3台凝升泵及附属管线的振动加速度信号。通过信号放大、抗混滤波、A/D转换后进入测量分析系统，实时显示各通道的加速度时程曲线，采集并存储振动信号。在测量完成后，对测量数据进行数字积分、频谱分析等，可以得到所测设备和管道振动的速度和频谱等。测量原理如图1所示。

1.2  测点布置

凝升泵及电机振动测点布置如图2所示。3台凝升泵共布置32个测点，其中每台泵体上布置2个测点，每台电机上布置2个测点，每台泵体基座布置2个测点，每台电机基座布置2个测点。

凝升泵附属管线振动布置测点19个。结合现场管道系统分布特征，将凝升泵附属管线分为多个区域，即：入口母管（A1、A2、A3）、凝升泵入口管（A4、A5、A6）、凝升泵出口管（A7—A12）、出口母管（A13、A14、A15）、出口母管第一支管（A16）、出口母管第二支管（A19）及出口母管第三支管（A17、A18）。如图3所示。

图1  振动测量原理图

图2  凝升泵振动测点布置图

图3  附属管线振动测点布置图

1.3  测量结果分析

技术人员现场测量了3台凝升泵不同分组运行条件下泵及附属管线的振动特性，并对数据展开了分析。

1.3.1  凝升泵电机振动测试结果分析

依据国家相关标准，该型凝升泵振动强度限值为2.8 mm/s。电机振动测试结果为A泵电机振动强度2.2 mm/s，B泵电机振动强度3.8 mm/s，C泵电机振动强度1.1 mm/s。B泵电机振动超过了强度限值，A泵电机振动接近强度限值。同时，对电机振动贡献最大的是50 Hz及100 Hz附近频率响应，分别对应电源频率与2倍电源频率。因此电机振动过大的主要原因是电机转子与定子不同心引起。B泵电机轴承位置典型的速度频谱如图4所示。

图4  B泵电机测点A29 Z方向速度频谱图

1.3.2  凝升泵体振动测试结果分析

按照核电厂相关技术文件要求，凝升泵振动限值为：报警值小于等于5.6 mm/s，停机值小于等于11.2 mm/s。测试结果表明，A泵体振动烈度3.3 mm/s，B泵体振动烈度4.8 mm/s，C泵体振动烈度19.2 mm/s。C泵体振动已超过了停机值，B泵体振动接近报警值。

泵体振动响应呈现明显的线谱效应，其中最为突出的是200 Hz附近频率的响应，是造成泵体振动过大的最主要贡献量。200 Hz对应于凝升泵叶片通过频率，通常是由叶片通过泵体出入口时造成的流体脉动压力引起的，过大的脉动压力说明泵壳、叶片等部件水力特性存在问题。如图5所示。

图5  A泵体测点A24 Y方向速度频谱图

综合上述分析，作为振源本身的凝升泵电机及泵体本身存在较大问题。

1.3.3  凝升泵附属管线振动测试结果分析

按照国家标准规定，管线许用速度峰值Vallow的表达式为

式中：C1表示补偿管道特征跨上集中质量影响修正系数。C2K2表示ASME规范中定义应力系数。C3表示管内介质和保温层质量修正系数，C4表示不同端和结构型式修正系数。C5表示强迫振动修正系数。Sel=0.8SA，SA是ASME锅炉和压力容器规范的交变应力。

测试结果表明，凝升泵附属管线C#进口管A6测点最大速度峰值达92.2 mm/s，出口管A12测点最大速度峰值达64.7 mm/s，均超过了许用速度峰值，振动极其剧烈。

管线振动频率主要为中低频振动。其中，4、7、11、19和24 Hz是凝升泵出口管线自身振动；50 Hz是凝升泵轴频，100 Hz为50 Hz的2倍频；199 Hz是凝升泵的叶轮通过频率，400 Hz是200 Hz的2倍频。因此，对于入口管线，管线振动原因是凝升泵的振动传递；对于出口管线，管线振动原因是凝升泵的振动传递和管线自身振动，且管线自身振动与泵传递的振动相比不明显。

1.3.4  热工水力影响分析

如果凝结水系统管道发生气蚀，也会引起管道振动，因此，针对凝结水管道开展热工水力CFD数值计算，判断管道中是否发生气蚀从而引起管线振动[7]。2台凝升泵正常并联运行时，凝升泵出口压力约为2.2 MPa，凝升泵入口压力约0.7 MPa，在运行温度为40 °C时，管道中产生气蚀的压力约为3.5 kPa。凝升泵进口管线网格如图6所示。凝升泵出口管线网格如图7所示。

图6  凝升泵入口管道网格

由计算结果可知，凝升泵入口管道的压力最小值位于母管至A泵入口段，为0.69 MPa。凝升泵出口管道流场不均匀，压力最低点在止回阀和截止阀后端，为2.18 MPa，进出口压力均远高于气蚀发生压力。因此，凝升泵附属管线不会发生气蚀，说明管线振动不是由水力现象引起的，如图8和图9所示。

图7  凝升泵出口管道网格

图8  凝升泵入口管道压力分布图

图9  凝升泵出口压力分布图

2  改进措施

2.1  凝升泵改进设计

目前，凝升泵为3台双吸泵NS250/200，正常运行为A泵和B泵并联运行。其流量Q为748 m3/h，扬程H为130 m，汽蚀余量为10 m，效率为80%，采用四叶片水力模型。泵电机为湘潭电机厂生产的JK-154-2型，电机功率400 kW，额定电压为6 kV，额定频率50 Hz。

根据振动原因分析，3台凝升泵振动异常，其中C泵振动达到了停机值，为了机组的安全运行，需要将3台凝升泵整体更换为重新设计的新型凝升泵。

2.1.1  性能参数

性能参数使用原设计参数，以满足机组安全平稳运行，即流量Q为748 m3/h，扬程H为130 m，汽蝕余量为10 m，效率为80%。

2.1.2  新型水力模型

原型凝升泵NS250/200的叶轮叶片数4枚，泵体为双涡壳结构。这种双涡壳泵体搭配偶数叶片的叶轮，偶数片叶片设计并形成对称的排列方式，不但使得叶轮自身的平衡性难以调整，而且容易使叶轮在高速运转时产生更多的振动。泵水力部件中，叶片数对泵的扬程、效率、气蚀性能有一定影响，通常认为离心泵的叶片数Z与转速比ns密切相关，ns越小，为避免叶片单位面积上的负荷过大，Z值应越大[8]。由于凝升泵为双吸泵，根据设计参数可知，其比转速

式中：n为泵的转速，r/min。由式（2）可知，其比转速为91 r/min，为中比转速离心双吸泵。在本次改进（设计）中，叶片数选择Z=5。

2.1.3  新型电机

由于原电机JK-154-2型老式电机已不再生产，需重新选型。为有效降低振动，电机转速降为1 480 r/min。凝升泵轴功率Pa

式中：ρ为介质密度，kg/m3，g为重力加速度，kg·m2/s。

根据凝升泵性能参数，凝升泵轴功率Pa为327 kW，电机功率选择400 kW即可。在本次改进（设计）中，选用的电机参数为Y3556-2/400 kW/6 kV，防护等级为IP44，绝缘等级为F级，电机转速为1 480 r/min。

2.2  进出口管线改进设计

根据CFD热工水力计算，由于设计不尽合理，凝升泵进出口管道存在流场不均匀，产生不同强度的漩渦，通过现场勘察和热工水力计算，将凝升泵入口管道进行改进设计。改进前凝升泵入口母管内的流体介质经过母管与凝升泵入口管道三通向上流动，通过90°弯头后经过闸阀和大小头，再经过90°弯头进入凝升泵。这样的结构导致三通处形成较大的漩涡，导致压力波动进而传递到凝升泵入口。因此，改进设计改变凝升泵入口管道方向，从而减弱形成的漩涡，有助于凝升泵入口流动的稳定。

3  结束语

本文针对秦山核电厂凝升泵及其附属管线振动异常现象展开了研究，现场测试了凝升泵及其附属管线的振动特性，并对测试结果进行了原因分析。基于原因分析，提出了解决凝升泵及其附属管线振动异常问题的应对措施，彻底解决了困扰秦山核电厂凝升泵及其附属管线振动异常问题。

参考文献：

[1] 张义民.机械振动学[M].北京：清华大学出版社，2007.

[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.

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[5] 梁兴，刘梅清，刘志勇，等.立式混流泵异常振动测试分析[J].排灌机械工程学报，2013，31（5）：373-378.

[6] 胡士华，张晓婵，刘方磊，等.旋转机械振动测试及分析[J].山西财经大学学报，2013，35（S1）：178.

[7] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

[8] 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.