上海某超大型核电主泵试验台基础振动分析研究

晏金炜

上海市机电设计研究院有限公司

摘要 采用通用有限元计算软件对超大型核电主泵试验台基础振动进行分析，清晰地显示了试验台基础在大型水泵旋转动力荷载作用下的振动时程响应。在基础设计中，根据设备荷载的布局，大胆采用了变厚度的设备基础设计，使得基础重心尽量接近上部荷载重心，同时避开主厂房和设备的自振频率。最后通过对稳态分析得出的最大响应频率和设备长期工作频率作时程分析，结果表明动力响应均满足《动力机器基础设计规范》的振动控制要求，基础设计达到了减振的目的和试验的要求。

关键词 核电主泵试验台 大型动力设备基础 振动时程分析

上海某超大型核电主泵试验台基础振动分析研究晏金炜上海市机电设计研究院有限公司上海是中国传统的工业设备制造城市。随着创新驱动发展、经济转型升级以及中国制造 2025 总体要求的提出，上海的设备制造业越来越朝着高端装备制造业发展。高端装备制造业是以高新技术为引领的战略性新兴产业，处于价值链高端和产业链核心环节，是全球制造业竞争的焦点和我国科技创新的主战场。

大型核电主泵就属于此类高端装备制造。核电主泵是AP1000 核电系统的关键设备，生产工艺极其复杂，世界上仅美、德等少数国家掌握此项技术。为填补该项技术空白，上海电气在临港投资建设了目前最先进的核电主泵制造厂房和试验台。

该厂房引进的主泵试验系统是用于主泵的全流量试验。目前，我国百万千瓦级核电主泵一直依靠进口，其产品最终的全流量试验是制造的主要瓶颈之一。因此，德国 KSB 公司作为全球屈指可数的核电主泵供应商，承担了本项目中的试验系统设计，同时对关键元器件进口，辅助设备国内采购配套。这样，既保证了该系统的技术先进性，又减少了投资规模。此外，本项目引进的主泵试验系统平台既可测试二代改进型主泵，同时又可测试三代AP1000 主泵，并且还可为我国自主研发的 CAP1400系统的主泵进行测试。

本文主要对此主泵测试台基础进行全方位的振动分析和设计，以保证测试工作的正常开展。

1 工程概况及减振方案设计

1.1 工程概况

该主泵车间是在原有三四级泵厂房基础上进行接长的，主泵车间长78m，柱距12~13m，跨度30m，设1台 100t 吊车，轨高 22.5m。试验台设备基础范围为 60m×15m，基本位于整个车间的中央位置，以尽量远离主厂房结构。本振动测试台基础设置在上海临港地区。该场地类别为Ⅳ类场地土。由于振动计算与土质条件有很大关系，故将场地土详细特性列出，见表1。

表 1 场地土特性表

1.2 减振方案设计

该测试台设备主要由左侧核泵动力试验台架、高压供水系统，以及右侧低压辅助系统组成。设备基础整体外形根据设备布置，全尺寸达到 60m×15m（宽）。

据外方资料，仅核泵动力试验台架存在动力荷载，其余钢结构柱脚为一些较大的局部集中荷载，其余部位按 100kN/m2考虑荷载。鉴于整个台架荷载分布不均，拟在高压和低压部分将基础切开，高压部分按设备基础设计，采用钻孔灌注桩，低压部分按10t 地坪设计，采用 PHC 桩。这样，重点振动分析区域为 40 m×15 m 左右的高压设备基础部分，低压部分 20m×15m 几无振动，本文不做分析。其高压设备基础平面布置图如图1所示。

图 1 振动测试台基础平面布置

由于动力荷载集中在高压部分的左侧，主要在平面布置图中4个圆形柱脚动力试验台架区域，为使基础重心尽量接近上部荷载重心，所以高压设备基础大胆采用变厚度设计。经有限元软件试算多种不同的厚度，并考虑设备基础自振周期的因素，最终取核泵动力试验台架下采用4m 厚设备基础，其余高压部分下采用2.5m 厚设备基础的方案。

2 地基动力特征参数及动力荷载计算

2.1 地基动力特征参数计算

按照《动力机器基础设计规范》的要求，首先要计算基组的质量、刚度和阻尼比等动力特征参数。该基础采用了100根30mφ600mm 灌注桩，桩基承台底下为粉土，故考虑桩土参振，计算结果见表 2。值得指出的是，表 2 中桩基抗压刚度的计算数据考虑了桩本身的弹性特性。该方法计算的桩基抗压刚度与现场实测值十分接近，特别是较长的桩和支承桩要比我国现行规范的计算结果更接近于实测值。

表2 基组动力特征参数

2.2 动力荷载计算

根据测试设备的动平衡等级 G6.3，即单位质量不平衡量（也称为转子偏心半径）（mm 或μm）与转子最高运行角速度ω的乘积，如式（1）所示：

eω＝6.3 （1）

如果转子的质量为（kg或t），转子的最高转速为（r/min），则由转子不平衡质量产生的离心力为：

F＝meω2=meω2πn/60 （2）

或以转子总重量W(N 或kN) 和重力加速度g来表示，则式（2）变为：

F＝W(eω)ω/g = W(eω)2πn/(60g) （3）

根据设备的动平衡等级 G6.3 级，将式（1）代入式（2）或（3）中，得转子产生的离心力为：

F＝6.594×10-4=6.729×10-5Wn（4）

由上述推导可知，一旦确定，F只与或W成正比。当转子在最高转速（1 500 r/min）时，F=0.1W。这也是以下动力计算的依据。

本分析中动力荷载根据《动力机器基础设计规范》第 5.2.1条取用：转速为 1500 r/min 时，扰力值为0.16Wgi（竖向横向），0.08W_gi（纵向）；本设备为 4个柱脚共同承担，因此每个柱脚承受 1/4 动力荷载。由于本工程为立式旋转设备，因此本工程竖向扰力为 0.08Wgi，横向扰力乘以高度后得到的动弯矩也均匀施加在 4 个支撑柱脚上。

最后，为充分分析转子全程试验中基础振动情况，须计算转子不同转速下基础反应，计算其他转速时扰力取值按上述规律进行插值取用。扰力的形式可以表示为：f =F×sin（ωt+φ）。

3 振动响应分析比较

该主泵的工作流程为在几十秒到几分钟内从 0转启动到工作转速1500 r/min，之后，测试台要对高速旋转的大型核电主泵进行连续 200 h 不间断测试厂方提供了两种主要类型的主泵数据，其中控制类型主泵数据如下：总重达 103 t（转子转动部分为 30 t），动平衡等级为 G6.3 级，测试转速1500r/min。

本文将计算分析试验台基础的动力特性，以及试验台基础在周期扰力下的竖向全振幅、速度和倾斜率。根据《动力机器基础设计规范》和《建筑地基基础设计规范》要求，试验平台基础的主要频率应避开转子频率，在1500 （50 Hz 电源～1 800（60 Hz 电源）r/min 下，基础竖向全振幅≤40μm，速度<5 mm/s，倾斜率<1/1000。

本分析主要采用通用有限元结构分析程序SAP2000[4]，对基础进行静力分析、模态分析、稳态分析和弹性时程分析。由于本项目荷载分布不均，首先进行静力分析，以验证倾斜率。经计算，在静力荷载工况下最大倾斜率为 (2.1－1)/17000 mm=1/15 000<1/1000，满足要求。其次进行模态分析，以观察试验台基础的自振频率是否能避开设备转子频率和厂房、吊车梁的频率，否则易引起共振，从而引起对试验精度的影响。自振频率计算结果如表3 所示，结果的取舍按振型参与质量系数 >95%控制。

表3 试验台基础的自振频率

本工程主厂房第一自振频率在2～3Hz 之间，吊车梁第一自振频率约为 37 Hz。该设备基础主要竖向振动频率(16~18 Hz)已避开厂房及吊车梁自振频率，不会引起与厂房的共振。转子的频率为25 Hz，根据规范，设备的频率应尽量避开17.68~35.35Hz 区间，可见设备基础的主要影响频率也避开了这一区间。

之后，对该设备基础进行0～30Hz 内的稳态分析，分析哪个振动频率对基础的影响最大。根据稳态分析的结果，最大响应发生在19Hz 附近，与模态分析的结果相符。为进一步验证稳态分析结果，并直观得到该设备基础的动力时程相应，对该基础采用 SAP2000做弹性时程分析，重点对19Hz和长期工作状态的 25Hz进行计算，步长 0.01 s。SAP2000。

根据以上计算结果，参考《动力机器基础设计规范》的振动控制标准，基础最大振幅 26μm<40μm，最大速度 3.6 mm/s<5 mm/s（稳态计算中得出），满足规范要求。

4 结语

该工程通过有限元计算软件 SAP2000 进行超大型核电主泵试验台基础振动分析，清晰地显示了试验台基础在大型水泵旋转动力荷载作用下引起的振动时程响应。根据设备荷载的布局，大胆采用了变厚度的设备基础设计，使得基础重心尽量接近上部荷载重心，同时避开主厂房和设备的频率，之后根据稳态分析的结果找到了发生动力响应最大的频率，又通过时程分析，对动力响应最大的频率和设备长期工作频率进行了时程分析，结果表明动力响应均满足《动力机器基础设计规范》的振动控制要求，基础设计达到了减振的目的和试验的要求。该大型试验台运行两年来，测试数据非常准确，没有发生明显的设备基础振动问题，说明基础计算结果准确，设计完全符合预期，为将来设计类似大型振动基础项目提供了有益的借鉴。