核电转机设备振动特性分析及治理策略研究

核电转机设备振动特性分析及治理策略研究

何明圆，陈慧慧

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

摘要：核电转机设备作为核电站运行的关键组成部分，其振动问题一直是影响核电站安全稳定运行的重要因素。本文旨在探讨核电转机设备振动治理的策略和方法，通过深入分析振动产生的原因，提出针对性的治理措施，以提高核电转机设备的运行稳定性和安全性。文章首先概述了核电转机设备振动治理的研究背景和意义，然后详细阐述了振动治理的理论基础和技术手段，接着通过案例分析展示了振动治理的实际应用效果，最后总结了研究成果并提出了展望。

关键词：核电转机设备；振动治理；振动原因；治理策略

Vibration characteristics analysis and treatment strategy research of transfer equipment

He Ming-yuan,  Chen Hui-hui,  Li Zhen,

(Fujian Fuqing Nuclear Power CO.LTD，Fuqing 350318，China)

Abstract: As a key component of nuclear power plant operation, the vibration of nuclear power transfer equipment has always been an important factor affecting the safe and stable operation of nuclear power plant. The purpose of this paper is to discuss the strategies and methods of vibration control of nuclear power transfer equipment, through in-depth analysis of the causes of vibration, and put forward targeted measures to improve the operational stability and safety of nuclear power transfer equipment. This paper first summarizes the research background and significance of vibration control of nuclear power transfer equipment, then elaborates the theoretical basis and technical means of vibration control, and then demonstrates the practical application effect of vibration control through case analysis. Finally, the research results are summarized and the prospect is put forward.

Key Words：Nuclear power transfer equipment; Vibration control; Cause of vibration; Governance strategy; Case study

1引言

核电厂运行中的旋转机械设备普遍存在机械振动，几乎在电厂的任何地方都能发现振动的踪迹，如汽轮机、发电机、风机、水泵等。振动状态是设备设计制造、安装检修和运行维护水平的综合反映。振动水平是衡量机械设备能否持续可靠运行的重要指标。在电厂设备运行的过程中，由于旋转机械子系统的复杂性、支承条件的特殊性和存在多种非线性因素影响，因而在工作中经常会产各种故障, 如果不能及时发现和处理，会使机械设备可靠性降低、失去生产功能，造成数千万、上亿的经济损失，甚至会导致机毁人亡的重大事故。例如2002美国South Texas电厂2号机组汽轮机动叶断裂导致手动跳堆，直接经济损失达数千万美元；2006年日本滨冈核电5号机组汽机第12级140根叶片中有1根断裂、46片叶根发生缺陷，18片有裂纹，直接经济损失数亿美元；2012年秦山核电二厂2号机组3号低压转子正向42号叶片断裂并致部分隔板等通流部件受损导致机组非计划停机检修等造成重大经济损失等。核电厂的发电功率远大于一般化工电厂，一旦因为设备故障而造成停机，引起的经济损失每日高达数千万元。核电厂中还有许多设备是与核安全密切相关，如主泵、安注泵、安喷泵等。一旦由核级设备故障而引发反应堆出现问题而停堆，这不仅仅是经济层面的问题，更关系到行业的发展和社会的影响。

振动是设备的“体温计”，直接反映设备健康状况，是设备安全评估的重要指标。一台机器正常运行时，其振动值和振动变化值都应该比较小。一旦振动值变大，或振动变得不稳定，都说明设备出现了一定程度的故障。

2转机设备振动治理的理论基础

振动是一种特殊的力学运动形式，它是指质点或机械动力系统在某一稳定平衡位置随时间变化所做的一种往复式运动。图2.1为一质量为m的物体在水平面振动示意图。

图2.1  物体水平振动示意图

振动包括以下基本形式：简谐振动、周期振动、非周期振动和随机振动。简谐振动的合成振动分为三种情况。第一种情况：两个相同频率的简谐振动的合成振动仍是简谐振动，且保持原来的频率；第二种情况，频率很接近的两个简谐振动合成会出现“拍”的现象，拍的详细介绍可参见相关振动力学教材。第三种情况：频率不同的两个简谐振动的合成振动，当频率比为有理数时，合成振动为周期振动；频率比为无理数时，合成为非周期振动。

周期振动是指经过一定时间间隔，振动历程能够完全重复的振动。周期振动是由若干谐波迭加组成的振动，波形不再是正弦波，但显现周期性，即波形的重复性好。在频谱图上为若干根频率间隔成比例的离散谱线。图2.2为一周期振动的时域图和频谱图。

（a） 时域图                        （b） 频谱图

图2.2  周期振动图谱

3转机设备振动故障分析思路

转机设备的振动特性受到多种因素的影响，包括设备结构、材料、运行环境等。常见的振动类型包括周期性振动、随机振动和冲击振动等。这些振动不仅会影响设备的运行稳定性，还可能引起设备部件的磨损和疲劳破坏。

面对大型旋转机械所发生的各种故障，是立即停机抢修、防止事态扩大，还是维持运行、择机修理，或者是采取措施加以消除或减轻，诊断及处理的失误会给核电企业带来相当大的经济损失。正确的诊断及处理，不可能来自于盲目的主观臆断，而应该建立在获取与故障有关信息的基础上，依据机器的工作原理及具体结构，运用科学的数据、频谱、图形分析，按照合理的步骤进行综合分析，去伪存真、舍次取主，排除故障的受害者，找出故障的肇事者，这才是提高故障诊断准确性的关键之所在。为了便于分析，不至于被众多杂乱无章的信息弄乱自己的思路，需要逐步思考以下问题：

第一，故障的真伪；

第二，故障的类型；

第三，故障的程度；

第四，故障的具体部位；

第五，故障发展的趋势。

4转机设备振动治理策略

转机设备的振动治理策略可以从振动基础理论推导中得出，具体如下：

如果一个系统只在初始时受到外界扰动，此后不在受其他力作用而发生的振动，称为自由振动。如果系统中存在阻尼，振动会逐渐衰减，直至最后静止。强迫振动是指物体在持续的变化的激振力作用下所产生的振动。无论任何形式的振动，其振动方程均可写成为：

式中M、C、K、F分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、激振力矩阵。

图4.1为一单自由度振动系统，质量块只在竖直方向振动。所受弹簧力PT=kx，k为刚度系数，单位为N/m；阻尼力Pd=cv，c为粘性阻尼系数单位为N∙S/m；激振力F(t)=F0sinω0t，ω0为激振频率。

（a）模型示意图       （b）受力分析示意图

图4.1  单自由度振动系统示意图

根据牛顿第二定律建立振动方程：

从方程的形式可以看出此振动方程为非齐次微分方程。根据高等数学知识可知：非齐次微分方程通解=齐次微分方程通解x1(t)+非齐次微分方程特解x2(t)。

令，，ωn单位为rad/s，ζ为无量纲的量，称为相对阻尼系数。

通解x1(t)可表示为：

式中，，，

ωd为有阻尼的自由振动固有频率，由刚度、阻尼和质量决定，与其他因数无关；A为系统的振幅，θ称为初相位，均由初始条件（位移x0，速度）和系统本身的结构参数决定。从通解x1(t)的表达形式可以看出，随着时间t推移通解将会逐渐衰减至0，所以将通解称为暂态响应.

特解x2(t)为系统的稳态响应，可表示为：

式中λ称为频率比，B称为稳态响应的振幅，φ为机械滞后角。

记=B0，动力放大系数定义为：

则式（4-1）的解为：

从解的形式可以看出系统经过一段时间后，x1(t)逐渐变为0，只留下x2(t)。

从方程的解的可以看出：系统稳态响应的振幅只与激励的大小、刚度和动力放大系数有关，动力放大系数和相位差只与阻尼系数和频率比有关。

因此针对转机设备的振动治理问题，可以从优化设备结构提高设备的刚性和稳定性，提高加工安装精度减小不平衡量，消除共振，加强维护保养确保设备状态良好等方面开展工作。具体采取采取策略：
优化设备结构：通过改进设备结构，提高设备的刚性和稳定性，减少振动产生的可能性。例如，可以增加支撑结构、优化传动系统、增加减振垫片等。
提高加工安装精度：提高旋转零件的加工和安装精度，减少因制造和安装误差引起的振动。这包括选用高质量的材料、提高加工精度、优化装配工艺、消除地脚虚脚、提高对中精度等。

消除共振：通过调整设备的运行参数，如转速、负载等，避免设备发生共振。此外，还可以采用阻尼减振技术，如在设备关键部位加装阻尼材料，减少振动能量的传递。
加强维护保养：定期对转机设备进行维护和保养，确保设备的正常运行。这包括润滑、紧固松动部件、更换磨损件等。同时，还要加强设备的巡检和监测，及时发现和处理振动问题。
实施状态监测与故障诊断：通过实时监测设备的振动状态和运行参数，及时发现异常振动和故障。结合故障诊断技术，如振动分析、超声分析、油液分析等，准确判断设备的运行状态和故障原因，为后续的维修和治理提供依据。

5核电转机设备振动治理的成效与展望

通过综合应用上述振动治理策略，结合转机设备振动分析基础理论、现场工作实践经验，有效控制和解决了核电领域大多数转机设备振动难题，设备的运行稳定性和安全性得到了显著提高。

然而，核电转机设备振动治理仍面临一些挑战和问题，如振动监测技术的精度和可靠性需要进一步提高；部分设备振动问题受设备运行工况、风量流量波动等因素扰动较大，治理起来面临客观难题；部分设备振动问题根本原因是综合且复杂的，短时间难以准确定位；核电设备振动治理需结合核电特点、考虑核安全、必须采取保守决策和保守治理手段等等，也加大了部分设备振动问题处理难度。因此，未来还需要继续深入研究核电转机设备振动治理的理论和技术，探索更加有效的治理策略和方法。

6总结

转机设备的振动特性分析及治理策略研究是确保设备稳定运行和延长使用寿命的关键；核电转机设备振动治理是保障核电站安全稳定运行的重要措施之一；通过深入分析振动产生的原因和影响，采取针对性的治理策略和技术手段，可以有效地减少或消除振动，提高设备的运行稳定性和安全性；同时，还需要加强设备的维护保养和状态监测与故障诊断工作，及时发现和处理振动问题，确保设备的长期稳定运行；未来还需要继续加强核电转机设备振动治理的研究和应用，为核电站的安全稳定运行提供更加坚实的技术保障。

参考文献

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