某核电站海水辅助冷却水泵非稳定流激振问题分析与处理

罗忠发 孙爱东

摘  要：离心泵内部及入口流场稳定性对泵组十分重要，非稳定流会引起泵组振动偏大，对应的从非稳定流影响方面进行泵组降振的研究与实践凸显了其重要性。本文从泵入口流体初始状态、泵吸入口形式、泵内流场、小流量工况、部件表面粗糙度、口环间隙等方面分析了非稳定流对泵组振动的影响，并提出现场可行的处理措施，最终降低了泵组振动，使设备安全可靠运行，并为以后其他泵组振动处理提供了实践经验。

关键词：核电站  泵  非稳定流  振动

中图分类号：P47                                 文献标识码：A                    文章编号：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

大型立式泵具有結构紧凑的特点，在核电站广泛应用。但相对卧式泵而言，立式泵高度较高，轴系较长，水平刚度较差，转子支撑稳定性较差，容易出现振动问题。引起泵振动的主要原因有轴系不对中、动不平衡、动静摩擦、轴承故障、基础刚度差、共振、汽蚀、非稳定流激振等。其中非稳流引起的泵组振动偏大在现场实际较少进行分析，容易被忽视，对应从非稳流激振方面进行降低振动的实践相对较少。

以某核电厂辅助冷却水系统（SEN）为例。SEN系统作为冷源，为常规岛闭式冷却水系统（SRI）、凝汽器真空系统（CVI）提供海水。SEN系统有两列泵组，每列由2x100%的辅助冷却水泵供水（正常运行时每列各一台投运，一台备用）。2020年3月，SEN系统一台辅助冷却水泵（1SEN1220PO）在定期测振时发现泵轴承室驱动端水平方向振动超报警值。现场通过调整入口隔板角度、调整电机支架平面度等方法降低了泵组振动，保证了设备运行可靠性。由于此泵振动问题实际处理过程极具典型意义，对后续工作具有参考价值，本文将其作为案例从非稳定流激振角度对泵组振动进行分析及处理。

1  泵组振动现象

1.1 泵组结构及基本参数

辅助冷却水泵为单级、单吸立式离心泵，吸入口方向竖直向下，出口方向水平方向，结构见图1。泵壳为径向剖分，采用泵体上的三个支脚支撑。泵体和泵盖之间采用密封圈密封。泵的吸入与吐出口法兰整体铸造在泵体上。泵与电机安装在同一个底座上，泵与电机采用膜片联轴器联接（非刚性联接）。泵的吸入口经一段金属波纹管（DN500）和两段进口变径管与进口管道（DN900）相连。泵吸入口管道示意图见图2。泵基本参数表见表1。

1.2 振动现象

2020年3月5日，对1SEN1220PO-测振时发现泵驱动端水平方向振动最大达到3.35mm/s（标准≤2.8mm/s，额定流量），温度最高30℃（报警值80℃、停机值85℃）。频谱见图3。

2020年3月19日，对轴承室与泵壳连接螺栓和泵轴承室压盖螺栓进行力矩检查，并对轴承室进行润滑脂补充，泵驱动端水平方向振动最大由4.0mm/s降至3.7mm/s，温度最高由35℃上升至59℃。频谱见图4。

2020年4月15日—4月21日对泵轴承进行更换，2020年4月22日执行再鉴定，泵驱动端水平方向振动最大3.9mm/s，温度最高36℃。频谱见图5，与前两次的频谱类似。

从前两次泵组振动现场处理情况及频谱特征来看，泵组不存在轴系不对中、动不平衡、动静摩擦、轴承故障、共振、汽蚀等情况，以下从非稳定流对泵组振动影响方面进行分析。

2  非稳定流激振分析

就大型立式泵而言，非稳定流因素产生的振动主要以叶片通过频率为主，其倍频数与叶片数相对应，同时会存在一定的低频成分或者较高频成分。从振动频谱分析，振动频率99.4Hz及其周围宽带频为振动值主要贡献。

叶片通过频率如下：

式中fvp—叶片通过频率，Hz;n—谐波整数，n=1;Z1—动叶片数量，Z=4;Z2—静叶片数量，Z=2;N—转速，744r/min。计算得fvp=99.2Hz，振动频率接近叶片通过频率。

通过现场对泵进行固有频率测试发现，在叶片过流频率99.4Hz附近无明显的结构共振现象，因此共振不是主要的因素，在叶片过流频率99.4Hz附件的频谱存在一定的随机性，呈随机性带状谱。从历史频谱分析，99.4Hz频率振动幅值基本无变化，但其周围宽频振动幅值在增大，说明随着设备运行，会出现水力部件磨损情况，泵内表面流体压力脉动导致明显的宽频振动出现[1]。

不稳定的流体介质是激发立式泵振动的一个重要因素。不稳定的流体介质可能来源于设计、安装或者运行状态变化等原因，导致管道及泵蜗壳中形成湍流，使轴系出现明显振动。以下从6个方面分析非稳定流的影响因素。

2.1 泵入口流体初始状态

已知辅助给水泵设计流体介质是海水，密度ρ=1021kg/m3，温度25℃，海水运动粘度系数ν =0.946×10-6㎡/s，根据雷诺数计算方程

可以计算出吸入口直管段流体介质雷诺数Re远大于Schiller临界雷诺数Rec=2300，因此入口水平直管段内流体为湍流。吸入口管道竖直管段与水平管段通过90°弯头连接，流体经过弯管，在弯管内外侧出现两个旋涡区，并且会出现二次流。流体进入泵吸入口前还会经过两段入口变径管。因此泵吸入口流体为复杂的湍流。

2.2 泵吸入口形式影响

离心泵进水口形式的改进可以改善流体进入泵组的回流、旋涡等现象，使流体更加稳定，减小叶轮与隔舌速度变化梯度。在泵入口设置挡板有利于阻断叶轮入口回流连续性，改善进入叶轮流体状态;但如果挡板设置不当，会削弱挡板功能[2]。

泵吸入口朝下，吸入口管道竖直管段与水平管段通过90°弯头连接，竖直管段长度2442mm，管长小于5倍管径。流体进入泵吸入口前还会经过两段入口变径管，总变径比5：9。因此泵吸入口流体会形成更为复杂的湍流。为了改善流场状态，泵吸入口两段变径管上布置了挡板，两段变径管挡板在设计时与入口水平直管段平行。

但在实际现场作业时发现吸入口两段进口变径管挡板角度不一致，其中上变径管隔板未与吸入口水平直管段平行，上下变径管挡板交叉角度约15°，使隔板导流及减小流体旋涡区和二次流的作用降低。

2.3 泵内流场状态影响

对离心泵内流场进行分析，从叶轮进口到叶轮出口静压沿径向逐渐增大，且由于湍流影响，叶轮出口处静压分布不均，压力最低值出现在在隔舌附近[3]，流体介质将以涡旋方式从压水室向出口运动。普遍研究结果表明，叶轮与隔舌之间的动静流场干涉是泵内压力脉动形成的主要原因，压力脉动周期与叶轮叶片数、隔舌数相关。从叶轮进口到出口，压力脉动幅值逐渐增大[4];随着流体远离叶轮，压力脉动受流体的影响在减小，說明叶轮进口处流体状态直接影响泵组稳定运行。

2.4 小流量工况影响

泵组实际流量约3658m3/h （通常在约86%额定流量运行）。在小流量工况下，叶轮内部和入口处的压力脉动也会发生变化。小流量对叶轮内部影响严重，流量越小，流体流线扭曲越严重，叶轮内部流场越不稳定[5]。随着叶片转过蜗舌，叶轮出口处靠近叶片压力面附近的旋涡区域逐渐缩小，强度逐渐减弱，而下一个流道中间新的旋涡开始形成并逐渐发展。叶轮出口处复杂的流动状态是压力脉动幅值增大的主要原因。小流量工况下，偏离额定流量，在叶轮出口（叶轮和蜗壳动静干涉区域）压力脉动幅值有所增大，脉动主频发生变化，不再是通过频率，而且其频谱宽度明显增大[6]，泵内表面流体压力脉动是宽频激振源，会诱发离心泵系统产生各阶模态振动。同时小流量工况下叶轮入口处涡线分布更为混乱，流体流动要更加复杂，吸入管内预旋流、二次流、回流以及湍流强度得到加强，引起更大的压力脉动，从而更易对泵的运行造成危害。

2.5 叶轮、蜗壳及入口管内表面粗糙度影响

粗糙度对离心泵进口回流非定常特性影响，粗糙度越小，叶轮入口管低压区面积越小，减小涡旋强度效果越好[7]。

2.6 口环间隙影响

同一泵组，不同口环间隙会诱导不同压力脉动及径向力变化，口环间隙的增大会引起泵入口处绝对速度矢量涡由间隙出口向叶轮入口移动，入口流体的流速及流态稳定性均受到较大影响，并且蜗室及前泵腔内的压力脉动波动、压力脉动幅值均有所下降，其中隔舌和前泵腔处下降最大，但随着口环间隙的增大，存在一个值使得压力脉动幅值有极大值[8-9]。

3  振动处理措施

以上从泵入口流体初始状态、泵吸入口形式、泵内流场、小流量工况、部件表面粗糙度、口环间隙等六方面对非稳定流激振分析，那么解决现场问题也可从这些方面着手。

3.1 泵入口流体初始状态

泵流体初始状态最理想情况为层流，至少要保持入口直管段的流体状态不恶化。从现场实际布置来看，吸入口管道竖直管段长度应>5DN，即900mm×5mm=4500mm。现场泵吸入口管道房间总高度仅3900mm，竖直管段仅2442mm，需改变泵房土建设计结构或者抬高泵基础。

3.2 泵吸入口形式

泵吸入口形式安装错误影响泵入口流场，进而导致泵内非稳定流加剧。通过调整泵吸入口隔板安装位置使其与厂家设计相符，可以加强其对非稳定流的改善情况。

3.3 泵内流场

泵内流场与叶轮叶片、隔舌等结构设计紧密相关。要改变泵内流场，需重新优化设计叶轮、蜗壳等结构，使非稳定流向稳定流场转化。

3.4 小流量工况

现场检查泵组出口流量保持在86%额定流量，没有达到设计额定流量。经过现场勘察，泵出口调节阀已全开，泵组已达到现场所允许的最大流量。要使泵组达到其设计额定流量，需对泵进出口管道及阀门重新计算加以改进。

3.5 部件表面粗糙度

泵组叶轮、蜗壳为不锈钢精密铸件。泵组长期运行，设备解体后发现其表面有部分脏污，可对其进行清理打磨，恢复其出厂时表面粗糙度。

3.6 口环间隙

测量1SEN1220PO-口环间隙为1.81mm;与其同列的另一台泵1SEN1210PO-口环间隙为0.30mm。考虑对调两台泵的水力部件。

从以上振动分析中可以发现，改变叶轮、蜗壳结构等设计变更最为困难，耗时最長，改造优先级靠后;而隔板安装角度、泵部件表面粗糙度、叶轮口环间隙等较为容易处理，优先考虑进行调整。

根据以上处理措施的实施难度分析，现场实施如下：

（1）将变径管隔板安装角度调整为厂家要求的与吸入管水平直管段轴线平行，且两个隔板交叉角度尽可能小（见图6和图7）。

（2）对泵蜗壳、叶轮、吸入口及变径管内表面水垢、脏污进行清理、打磨，尽可能恢复其原始状态。对其进行清理打磨处理后，对比库存备件，其表面粗糙度基本一致。

（3）将另一列泵水力部件与其对调，对调后的泵口环间隙分别为1.36mm和0.9mm。

经过以上3点处理措施，并辅以调整电机支架平面度等措施，最终泵振动测试结果为最大 1.27mm/s，低于报警值2.8mm/s，振动合格，频谱见图8所示。

5  结语

泵内部及入口流场的稳定性直接影响泵组的振动水平，从非稳定流激振角度进行振动分析，是现场处理泵组振动问题的重要手段，对处理复杂振动具有重要参考意义。

对于现场泵设备振动问题处理，现场技术人员根据泵组振动分析结果，结合现场设备实际情况，从易到难选择实施方案，降低其振动值至满足厂家要求，为后续类似泵组振动问题处理提供实践经验。

参考文献

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