核岛主泵的故障诊断

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1、一、主泵的介绍对于核工业系统来说，设备的故障可能引起核设施的安全问题和巨大的经济损失，还可能引起人身的重大伤亡，环境的严重污染，乃至造成重大的政治事件。所以核工业设备的工况监测和故障诊断是核工业系统工程中的一个重要的组成部分。据全球统计：从1980年代以来，全球核电厂由于泵的故障引起核电站停堆达148起，造成了重大的经济损失，主泵工作的好坏，直接影响着反应堆的正常运行，泵的故障会造成冷却剂流量降低或失流事故，导致堆芯温度升高，且其故障后维修需排出冷却剂，给检修工作带来了一定的困难。对其常见故障进行分析，对提高反应堆运行

2、的安全性和减少维修费用等具有重大意义。反应堆主泵是压水堆核电站一回路主要的旋转设备，承担着补偿一回路冷却剂压力降、推动冷却剂循环等重要功能。从顶部到底部由电动机、密封组件和泵的水力部件组成，串联布置的三级轴封控制泵轴的泄漏。由化容控制系统供应的密封水注入到泵轴承和密封件之间，以防止反应堆冷却剂向上流动，同时冷却轴封和泵轴承。电动泵组装有三个径向轴承和一个止推轴承，其中两个径向轴承和一个止推轴承用来支撑电动机转子，另一个径向轴承形成泵轴承，它是水润滑轴承，由斯太立合金堆焊的不锈钢轴颈和石墨环构成的套筒组成。主泵要求具有绝

3、对的可靠性。下图为压水反应堆核电站的工作原理图，从图中可知主泵（即主冷却泵）位置位于一回路，十分重要。主泵故障诊断在反应堆中有着特别重要的地位，因为主泵突发性故障往往直接影响反应堆的正常运行，影响舰艇的战斗性及机动性。主泵是反应堆中的重要热循环动力部件，主泵运行是否正常涉及整个反应堆的工况。如下两图自上至下分别为主泵结构及主泵内部的循环示意图。10二、常见的主泵故障介绍泵的故障可以分为机械故障、电气故障和功能故障。机械故障主要由电动机频繁启动、周期间歇运行等引起；电气故障主要由电网各种暂态过程影响所致；功能故障则主要是

4、由于电动机运行环境变化而引起，如温度升高、污染影响等都可使电动机丧失某些特定功能。在各种故障类型中，机械故障造成的影10响最为严重，且机械故障一般为渐进式的，很难在故障的早期发现，对故障诊断带来了一定的难度，因此本文将泵的机械故障作为主要的研究对象。通过查阅资料，国内外核电厂主泵的故障有:不对中、不平衡、转子裂纹、转子与定子太近产生动静件摩擦、主轴损坏、主轴密封破裂、汽蚀、涡流、叶轮卡塞等。主泵故障诊断分为四个步骤:信号检测、特征提取(信号处理)、状态识别和诊断决策。本文针对主泵特点选取了以下常见典型故障进行了介绍和分

5、析。转子不对中是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜度或偏移程度。不对中又分为平行不对中、角度不对中和综合不对中，如下图所示。轴系由于转子不对中，而使机器振动加大，还会发生轴承偏磨，而转子受到的力及轴承所受的附加力是转子发生异常振动和轴承早期损坏的重要原因。不对中产生原因为：1、初始安装误差；2、负载、自重作用使转子弯曲；3、支承架不均匀膨胀引起热态工作下转子对中不良；4、地基不均匀下沉。转轴不对中故障的振动特点为：1、不对中越严重，二倍频所占的比例就越大，并可能出现高次谐波；2、转轴不对中典型的轴心轨迹呈香蕉形；3

6、、振动对负荷变化敏感。转子不平衡是旋转机械最常见的故障。转子轴心周围质量分布不均，质心不在轴线上而产生附加惯性力或力偶的现象称为不平衡。转子不平衡是由于转子组件的质心与系统几何中心线不重合导致的故障，即质心不在旋转轴上。常见的有动不平静和静不平衡。如下图所示。转子不平衡会引起转子挠曲和内应力，使机器振动加剧，加速轴承和轴封的磨损，降低机器的工作效率，严重时会引起各种事故。10转子不平衡产生的原因：1、原始不平衡。如制造误差、装配误差、材料不均匀等；2、渐发性不平衡。如不均匀结垢、不均匀磨损、不均匀腐蚀等；3、突发性不平

7、衡。如转子上零部件脱落、叶轮流道有异物等。转子不平衡会导致转子在旋转时所产生的离心力作用在转子上，转子每旋转一周离心力的方向就会产生一次振动响应。因此，转子不平衡振动的频率等于转子的转速频率，也称为基频或者工频，工频是不平衡故障的特征频率。转子不平衡的振动特点为:1、机组轴承均发生较大振动，转子通过临界转速时振动幅值增大；2、振动频率与转子转速一致，以一倍频为主，其他谐波的振幅较小；3、轴心轨迹为椭圆形。裂纹是指转子由于长时间的工作而使得转子系统轴承上出现横向疲劳裂纹。出现裂纹甚至发生断轴的灾难性事故，已在许多大功率旋

8、转机械中发生。因而，对转子系统横向裂纹的监测和早期诊断，防止异常振动和意外事故的发生日益被关注。对于一体化主泵尤其维修需要排出冷却剂，给维修带来了很大的困难，因此必须对主泵的转子裂纹加以研究。（右图为轴承裂纹示意图）裂纹的出现使转轴在裂纹方向上的刚度下降，如果刚度下降仅在一个方向上发生，则会引起转轴的刚度不对称。首先，两个垂直方向