羅忠發(fā) 孫愛(ài)東

摘? 要：離心泵內(nèi)部及入口流場(chǎng)穩(wěn)定性對(duì)泵組十分重要，非穩(wěn)定流會(huì)引起泵組振動(dòng)偏大，對(duì)應(yīng)的從非穩(wěn)定流影響方面進(jìn)行泵組降振的研究與實(shí)踐凸顯了其重要性。本文從泵入口流體初始狀態(tài)、泵吸入口形式、泵內(nèi)流場(chǎng)、小流量工況、部件表面粗糙度、口環(huán)間隙等方面分析了非穩(wěn)定流對(duì)泵組振動(dòng)的影響，并提出現(xiàn)場(chǎng)可行的處理措施，最終降低了泵組振動(dòng)，使設(shè)備安全可靠運(yùn)行，并為以后其他泵組振動(dòng)處理提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：核電站? 泵? 非穩(wěn)定流? 振動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：P47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（a）-0049-06

Analysis and treatment of unsteady flow excitation of seawater auxiliary cooling pump in nuclear power station

LUO Zhongfa? SUN Aidong

（Taishan Nuclear Power Joint Venture Co.， Ltd.， Jiangmen， Guangdong Province， 529200 China）

Abstract： The stability of flow field inside and at the inlet of centrifugal pump is very important to the pump set. The unsteady flow will cause the vibration of the pump set to be too large. The research and practice of vibration reduction of the pump set from the influence of unsteady flow highlights its importance. This paper analyzes the influence of unsteady flow on the vibration of pump unit from the initial state of fluid at pump inlet， the form of pump suction port， the flow field in the pump， small flow condition， surface roughness of components， gap between port and ring， etc.， and puts forward feasible treatment measures on site， so as to reduce the vibration of pump unit and ensure the safe and reliable operation of the equipment， which provides practical experience for the vibration treatment of other pump units in the future.Flow field stability of inside and suction is very important to centrifugal pump， while unsteady flow could cause high vibration. So unsteady flow analysis shows it's importance in the study and practice of pump vibration reduce. The paper analysed the influences of unsteady flow to pump vibration through initial state of suction flow， suction structure， inside flow field， low flowrate condition， surface roughness and wear ring clearance， presented feasible measures on site to finally reduce the pump vibration， which provided the practical experences to solve other pump bibration problems.

Key Words： Nuclear power station;? Pump;? Unsteady flow;? Vibration

大型立式泵具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，在核電站廣泛應(yīng)用。但相對(duì)臥式泵而言，立式泵高度較高，軸系較長(zhǎng)，水平剛度較差，轉(zhuǎn)子支撐穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題。引起泵振動(dòng)的主要原因有軸系不對(duì)中、動(dòng)不平衡、動(dòng)靜摩擦、軸承故障、基礎(chǔ)剛度差、共振、汽蝕、非穩(wěn)定流激振等。其中非穩(wěn)流引起的泵組振動(dòng)偏大在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際較少進(jìn)行分析，容易被忽視，對(duì)應(yīng)從非穩(wěn)流激振方面進(jìn)行降低振動(dòng)的實(shí)踐相對(duì)較少。

以某核電廠(chǎng)輔助冷卻水系統(tǒng)（SEN）為例。SEN系統(tǒng)作為冷源，為常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)（SRI）、凝汽器真空系統(tǒng)（CVI）提供海水。SEN系統(tǒng)有兩列泵組，每列由2x100%的輔助冷卻水泵供水（正常運(yùn)行時(shí)每列各一臺(tái)投運(yùn)，一臺(tái)備用）。2020年3月，SEN系統(tǒng)一臺(tái)輔助冷卻水泵（1SEN1220PO）在定期測(cè)振時(shí)發(fā)現(xiàn)泵軸承室驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)超報(bào)警值。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)整入口隔板角度、調(diào)整電機(jī)支架平面度等方法降低了泵組振動(dòng)，保證了設(shè)備運(yùn)行可靠性。由于此泵振動(dòng)問(wèn)題實(shí)際處理過(guò)程極具典型意義，對(duì)后續(xù)工作具有參考價(jià)值，本文將其作為案例從非穩(wěn)定流激振角度對(duì)泵組振動(dòng)進(jìn)行分析及處理。

1? 泵組振動(dòng)現(xiàn)象

1.1 泵組結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

輔助冷卻水泵為單級(jí)、單吸立式離心泵，吸入口方向豎直向下，出口方向水平方向，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。泵殼為徑向剖分，采用泵體上的三個(gè)支腳支撐。泵體和泵蓋之間采用密封圈密封。泵的吸入與吐出口法蘭整體鑄造在泵體上。泵與電機(jī)安裝在同一個(gè)底座上，泵與電機(jī)采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接（非剛性聯(lián)接）。泵的吸入口經(jīng)一段金屬波紋管（DN500）和兩段進(jìn)口變徑管與進(jìn)口管道（DN900）相連。泵吸入口管道示意圖見(jiàn)圖2。泵基本參數(shù)表見(jiàn)表1。

1.2 振動(dòng)現(xiàn)象

2020年3月5日，對(duì)1SEN1220PO-測(cè)振時(shí)發(fā)現(xiàn)泵驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)最大達(dá)到3.35mm/s（標(biāo)準(zhǔn)≤2.8mm/s，額定流量），溫度最高30℃（報(bào)警值80℃、停機(jī)值85℃）。頻譜見(jiàn)圖3。

2020年3月19日，對(duì)軸承室與泵殼連接螺栓和泵軸承室壓蓋螺栓進(jìn)行力矩檢查，并對(duì)軸承室進(jìn)行潤(rùn)滑脂補(bǔ)充，泵驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)最大由4.0mm/s降至3.7mm/s，溫度最高由35℃上升至59℃。頻譜見(jiàn)圖4。

2020年4月15日—4月21日對(duì)泵軸承進(jìn)行更換，2020年4月22日?qǐng)?zhí)行再鑒定，泵驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)最大3.9mm/s，溫度最高36℃。頻譜見(jiàn)圖5，與前兩次的頻譜類(lèi)似。

從前兩次泵組振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)處理情況及頻譜特征來(lái)看，泵組不存在軸系不對(duì)中、動(dòng)不平衡、動(dòng)靜摩擦、軸承故障、共振、汽蝕等情況，以下從非穩(wěn)定流對(duì)泵組振動(dòng)影響方面進(jìn)行分析。

2? 非穩(wěn)定流激振分析

就大型立式泵而言，非穩(wěn)定流因素產(chǎn)生的振動(dòng)主要以葉片通過(guò)頻率為主，其倍頻數(shù)與葉片數(shù)相對(duì)應(yīng)，同時(shí)會(huì)存在一定的低頻成分或者較高頻成分。從振動(dòng)頻譜分析，振動(dòng)頻率99.4Hz及其周?chē)鷮拵ьl為振動(dòng)值主要貢獻(xiàn)。

葉片通過(guò)頻率如下：

式中fvp—葉片通過(guò)頻率，Hz;n—諧波整數(shù)，n=1;Z1—?jiǎng)尤~片數(shù)量，Z=4;Z2—靜葉片數(shù)量，Z=2;N—轉(zhuǎn)速，744r/min。計(jì)算得fvp=99.2Hz，振動(dòng)頻率接近葉片通過(guò)頻率。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泵進(jìn)行固有頻率測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在葉片過(guò)流頻率99.4Hz附近無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，因此共振不是主要的因素，在葉片過(guò)流頻率99.4Hz附件的頻譜存在一定的隨機(jī)性，呈隨機(jī)性帶狀譜。從歷史頻譜分析，99.4Hz頻率振動(dòng)幅值基本無(wú)變化，但其周?chē)鷮掝l振動(dòng)幅值在增大，說(shuō)明隨著設(shè)備運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)水力部件磨損情況，泵內(nèi)表面流體壓力脈動(dòng)導(dǎo)致明顯的寬頻振動(dòng)出現(xiàn)[1]。

不穩(wěn)定的流體介質(zhì)是激發(fā)立式泵振動(dòng)的一個(gè)重要因素。不穩(wěn)定的流體介質(zhì)可能來(lái)源于設(shè)計(jì)、安裝或者運(yùn)行狀態(tài)變化等原因，導(dǎo)致管道及泵蝸殼中形成湍流，使軸系出現(xiàn)明顯振動(dòng)。以下從6個(gè)方面分析非穩(wěn)定流的影響因素。

2.1 泵入口流體初始狀態(tài)

已知輔助給水泵設(shè)計(jì)流體介質(zhì)是海水，密度ρ=1021kg/m3，溫度25℃，海水運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)ν =0.946×10-6㎡/s，根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算方程

可以計(jì)算出吸入口直管段流體介質(zhì)雷諾數(shù)Re遠(yuǎn)大于Schiller臨界雷諾數(shù)Rec=2300，因此入口水平直管段內(nèi)流體為湍流。吸入口管道豎直管段與水平管段通過(guò)90°彎頭連接，流體經(jīng)過(guò)彎管，在彎管內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)旋渦區(qū)，并且會(huì)出現(xiàn)二次流。流體進(jìn)入泵吸入口前還會(huì)經(jīng)過(guò)兩段入口變徑管。因此泵吸入口流體為復(fù)雜的湍流。

2.2 泵吸入口形式影響

離心泵進(jìn)水口形式的改進(jìn)可以改善流體進(jìn)入泵組的回流、旋渦等現(xiàn)象，使流體更加穩(wěn)定，減小葉輪與隔舌速度變化梯度。在泵入口設(shè)置擋板有利于阻斷葉輪入口回流連續(xù)性，改善進(jìn)入葉輪流體狀態(tài);但如果擋板設(shè)置不當(dāng)，會(huì)削弱擋板功能[2]。

泵吸入口朝下，吸入口管道豎直管段與水平管段通過(guò)90°彎頭連接，豎直管段長(zhǎng)度2442mm，管長(zhǎng)小于5倍管徑。流體進(jìn)入泵吸入口前還會(huì)經(jīng)過(guò)兩段入口變徑管，總變徑比5：9。因此泵吸入口流體會(huì)形成更為復(fù)雜的湍流。為了改善流場(chǎng)狀態(tài)，泵吸入口兩段變徑管上布置了擋板，兩段變徑管擋板在設(shè)計(jì)時(shí)與入口水平直管段平行。

但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)吸入口兩段進(jìn)口變徑管擋板角度不一致，其中上變徑管隔板未與吸入口水平直管段平行，上下變徑管擋板交叉角度約15°，使隔板導(dǎo)流及減小流體旋渦區(qū)和二次流的作用降低。

2.3 泵內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)影響

對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，從葉輪進(jìn)口到葉輪出口靜壓沿徑向逐漸增大，且由于湍流影響，葉輪出口處?kù)o壓分布不均，壓力最低值出現(xiàn)在在隔舌附近[3]，流體介質(zhì)將以渦旋方式從壓水室向出口運(yùn)動(dòng)。普遍研究結(jié)果表明，葉輪與隔舌之間的動(dòng)靜流場(chǎng)干涉是泵內(nèi)壓力脈動(dòng)形成的主要原因，壓力脈動(dòng)周期與葉輪葉片數(shù)、隔舌數(shù)相關(guān)。從葉輪進(jìn)口到出口，壓力脈動(dòng)幅值逐漸增大[4];隨著流體遠(yuǎn)離葉輪，壓力脈動(dòng)受流體的影響在減小，說(shuō)明葉輪進(jìn)口處流體狀態(tài)直接影響泵組穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 小流量工況影響

泵組實(shí)際流量約3658m3/h （通常在約86%額定流量運(yùn)行）。在小流量工況下，葉輪內(nèi)部和入口處的壓力脈動(dòng)也會(huì)發(fā)生變化。小流量對(duì)葉輪內(nèi)部影響嚴(yán)重，流量越小，流體流線(xiàn)扭曲越嚴(yán)重，葉輪內(nèi)部流場(chǎng)越不穩(wěn)定[5]。隨著葉片轉(zhuǎn)過(guò)蝸舌，葉輪出口處靠近葉片壓力面附近的旋渦區(qū)域逐漸縮小，強(qiáng)度逐漸減弱，而下一個(gè)流道中間新的旋渦開(kāi)始形成并逐漸發(fā)展。葉輪出口處復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)是壓力脈動(dòng)幅值增大的主要原因。小流量工況下，偏離額定流量，在葉輪出口（葉輪和蝸殼動(dòng)靜干涉區(qū)域）壓力脈動(dòng)幅值有所增大，脈動(dòng)主頻發(fā)生變化，不再是通過(guò)頻率，而且其頻譜寬度明顯增大[6]，泵內(nèi)表面流體壓力脈動(dòng)是寬頻激振源，會(huì)誘發(fā)離心泵系統(tǒng)產(chǎn)生各階模態(tài)振動(dòng)。同時(shí)小流量工況下葉輪入口處渦線(xiàn)分布更為混亂，流體流動(dòng)要更加復(fù)雜，吸入管內(nèi)預(yù)旋流、二次流、回流以及湍流強(qiáng)度得到加強(qiáng)，引起更大的壓力脈動(dòng)，從而更易對(duì)泵的運(yùn)行造成危害。

2.5 葉輪、蝸殼及入口管內(nèi)表面粗糙度影響

粗糙度對(duì)離心泵進(jìn)口回流非定常特性影響，粗糙度越小，葉輪入口管低壓區(qū)面積越小，減小渦旋強(qiáng)度效果越好[7]。

2.6 口環(huán)間隙影響

同一泵組，不同口環(huán)間隙會(huì)誘導(dǎo)不同壓力脈動(dòng)及徑向力變化，口環(huán)間隙的增大會(huì)引起泵入口處絕對(duì)速度矢量渦由間隙出口向葉輪入口移動(dòng)，入口流體的流速及流態(tài)穩(wěn)定性均受到較大影響，并且蝸室及前泵腔內(nèi)的壓力脈動(dòng)波動(dòng)、壓力脈動(dòng)幅值均有所下降，其中隔舌和前泵腔處下降最大，但隨著口環(huán)間隙的增大，存在一個(gè)值使得壓力脈動(dòng)幅值有極大值[8-9]。

3? 振動(dòng)處理措施

以上從泵入口流體初始狀態(tài)、泵吸入口形式、泵內(nèi)流場(chǎng)、小流量工況、部件表面粗糙度、口環(huán)間隙等六方面對(duì)非穩(wěn)定流激振分析，那么解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題也可從這些方面著手。

3.1 泵入口流體初始狀態(tài)

泵流體初始狀態(tài)最理想情況為層流，至少要保持入口直管段的流體狀態(tài)不惡化。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置來(lái)看，吸入口管道豎直管段長(zhǎng)度應(yīng)>5DN，即900mm×5mm=4500mm。現(xiàn)場(chǎng)泵吸入口管道房間總高度僅3900mm，豎直管段僅2442mm，需改變泵房土建設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或者抬高泵基礎(chǔ)。

3.2 泵吸入口形式

泵吸入口形式安裝錯(cuò)誤影響泵入口流場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致泵內(nèi)非穩(wěn)定流加劇。通過(guò)調(diào)整泵吸入口隔板安裝位置使其與廠(chǎng)家設(shè)計(jì)相符，可以加強(qiáng)其對(duì)非穩(wěn)定流的改善情況。

3.3 泵內(nèi)流場(chǎng)

泵內(nèi)流場(chǎng)與葉輪葉片、隔舌等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。要改變泵內(nèi)流場(chǎng)，需重新優(yōu)化設(shè)計(jì)葉輪、蝸殼等結(jié)構(gòu)，使非穩(wěn)定流向穩(wěn)定流場(chǎng)轉(zhuǎn)化。

3.4 小流量工況

現(xiàn)場(chǎng)檢查泵組出口流量保持在86%額定流量，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)額定流量。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，泵出口調(diào)節(jié)閥已全開(kāi)，泵組已達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)所允許的最大流量。要使泵組達(dá)到其設(shè)計(jì)額定流量，需對(duì)泵進(jìn)出口管道及閥門(mén)重新計(jì)算加以改進(jìn)。

3.5 部件表面粗糙度

泵組葉輪、蝸殼為不銹鋼精密鑄件。泵組長(zhǎng)期運(yùn)行，設(shè)備解體后發(fā)現(xiàn)其表面有部分臟污，可對(duì)其進(jìn)行清理打磨，恢復(fù)其出廠(chǎng)時(shí)表面粗糙度。

3.6 口環(huán)間隙

測(cè)量1SEN1220PO-口環(huán)間隙為1.81mm;與其同列的另一臺(tái)泵1SEN1210PO-口環(huán)間隙為0.30mm?？紤]對(duì)調(diào)兩臺(tái)泵的水力部件。

從以上振動(dòng)分析中可以發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)~輪、蝸殼結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)變更最為困難，耗時(shí)最長(zhǎng)，改造優(yōu)先級(jí)靠后;而隔板安裝角度、泵部件表面粗糙度、葉輪口環(huán)間隙等較為容易處理，優(yōu)先考慮進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)以上處理措施的實(shí)施難度分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施如下：

（1）將變徑管隔板安裝角度調(diào)整為廠(chǎng)家要求的與吸入管水平直管段軸線(xiàn)平行，且兩個(gè)隔板交叉角度盡可能?。ㄒ?jiàn)圖6和圖7）。

（2）對(duì)泵蝸殼、葉輪、吸入口及變徑管內(nèi)表面水垢、臟污進(jìn)行清理、打磨，盡可能恢復(fù)其原始狀態(tài)。對(duì)其進(jìn)行清理打磨處理后，對(duì)比庫(kù)存?zhèn)浼?，其表面粗糙度基本一致?/p>

（3）將另一列泵水力部件與其對(duì)調(diào)，對(duì)調(diào)后的泵口環(huán)間隙分別為1.36mm和0.9mm。

經(jīng)過(guò)以上3點(diǎn)處理措施，并輔以調(diào)整電機(jī)支架平面度等措施，最終泵振動(dòng)測(cè)試結(jié)果為最大 1.27mm/s，低于報(bào)警值2.8mm/s，振動(dòng)合格，頻譜見(jiàn)圖8所示。

5? 結(jié)語(yǔ)

泵內(nèi)部及入口流場(chǎng)的穩(wěn)定性直接影響泵組的振動(dòng)水平，從非穩(wěn)定流激振角度進(jìn)行振動(dòng)分析，是現(xiàn)場(chǎng)處理泵組振動(dòng)問(wèn)題的重要手段，對(duì)處理復(fù)雜振動(dòng)具有重要參考意義。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)泵設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題處理，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)泵組振動(dòng)分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況，從易到難選擇實(shí)施方案，降低其振動(dòng)值至滿(mǎn)足廠(chǎng)家要求，為后續(xù)類(lèi)似泵組振動(dòng)問(wèn)題處理提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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