核电厂上充泵推力轴承损伤成因及运维优化研究.pdf

2023年第3期36小原技术核电厂上充泵推力轴承损伤成因及运维优化研究杨雁宇1何升亮！龙斌车银辉祖帅2王铭昌.2（1 阳江核电有限公司，广东阳江529500；2 苏州热工研究院有限公司，广东深圳518000)摘要：推力轴承是核电厂上充泵可靠运行的关键部件之一，用于承受泵轴的轴向载荷以及限制泵轴的轴向位移。针对上充泵推力轴承运维中频繁出现的损伤问题，开展其损伤成因分析，研究其运维优化工艺和措施，提升了上充泵运行的可靠性。关键词：核电厂用泵上充泵推力轴承损伤运维优化中图分类号：TH311文献标识码：A上充泵是核电厂中最关键的动力设备之一，担任主泵轴封供水、化容系统容积控制的补水、高压安注系统故障时的供水等重要任务 。上充泵在接到启动信号后，需要立即投人运行，其轴承需要具备不预润滑启动的功能 2 1000MW压水堆核电厂上充泵选用法国几纳公司生产的上充泵，为卧式双壳体1 2 级离心泵，半抽芯结构，主要由叶轮、导叶、泵轴、机械密封、滑动推力轴承、2 道水润滑导轴承、泵盖等部件组成，也称为一端封闭型上充泵，如图1 所示。上充泵1 4级叶轮朝吸人口正向布置，5 1 2 级叶轮反向布置，正向布置叶轮轴向力同封闭端高压4297810651-尾部水润滑轴承（泵壳底部）2-泵轴3-泵头螺栓4-出口法兰5,10-地锚苗6-泵头7-叶轮8-泵壳9-流动扩压器图1 一端封闭型上充泵结构示意图水作用力之和，与反向叶轮轴向力相平衡，残余轴向力由推力轴承来承受。推力轴承是核电厂上充泵可靠运行的关键部件之一，用于承受泵轴的轴向载荷以及限制泵轴的轴向位移。针对上充泵滑动推力轴承的可靠性技术，国内学者进行了相关研究。许德忠、孔令杰等 3对核电厂用泵不预润滑启动轴承的相关技术进行了介绍，为国内泵制造业实现核级水泵的国产化提供了重要的技术参考。许德忠、赵静等 4 在上充泵国产化中优化了上充泵轴向力，解决了推力轴承运行温升偏高的问题。郭逸等 5 根据经验反馈，介绍了方家山核电厂上充泵在增加轴径提升转子刚度、叶轮对称布置降低轴向推力、轴承系统设计优化、无预润滑启动轴瓦改进、互换性问题改进、抽芯专用工具改进等方面的设计优化。然而，这些研究不涉及上充泵推力轴承在长期执行预润滑应急启动后的劣化演变情况。因此，本文对一端封闭型上充泵推力轴承长期运行后的损坏情况开展研究，针对其固有缺点提出运维优化措施，对上充泵全检周期内安全稳定运行具有现实意义。1推力轴承结构上充泵驱动端轴承室包括一个推力轴承和一个径向轴承。为确保轴承具备无预润滑启动功能，轴承室中设计制造了专门的储油腔。轴承室设计成一2023年第3期37路供油，在径向轴承一侧进油（进口A），通过径向轴瓦间隙流向推力轴承，并由腔室上部（油路B)流回油腔（出口C），如图2 所示。推力轴承由主、副推力轴瓦组成，采用中心支撑结构的可倾式扇形瓦块，主推力轴瓦布置1 1 块，副推力轴瓦布置9 块。2推力轴承损伤问题鉴于上充泵轴承室采用无预润滑设计结构，推力轴承具有良好的润滑以及长寿命的特点，进而采取状态维修策略。统计了多个核电厂上充泵推力轴承检修数据，随着上充泵驱动端推力轴承长期运行，暴露出了频繁损伤的问题。2.1推力瓦块发黑及材料迁移问题正常运行期间，上充泵推力轴承的运行温度由64突然上升到7 2，然后一直稳定在7 2。解体检查发现，推力轴承瓦面存在发黑严重和材料迁移现象，如图3所示。对发黑的推力瓦块进行观察，推力瓦面的油膜峰值压力区存在微裂纹、熔融和出油侧合金材料迁移等损伤特征，如图4所示。调整推力盘轴套锁紧轴套螺图2上充泵驱动端轴承室结构图3主推力轴承发黑、迁移损伤形貌图4推力瓦面熔融宏观形貌同时，瓦面还存在类似接触应力下显微机加工造成的擦伤犁沟 6-7 。整理同类型上充泵维修记录发现，上充泵推力轴承在服役1 0 年后均会出现类似现象，存在共模故障，严重影响了上充泵的可用性和可靠性。2.2推力瓦块龟裂脱落问题正常运行期间，上充泵驱动端水平振动值达6.8mm/s，超过报警值5.6 mm/s，被迫停用抢修。解体检查发现，主推力轴承存在发黑现象，其中一块推力瓦龟裂、材料脱落，如图5所示。瓦面龟裂发生于轴瓦高温区和油膜峰值压力区，裂纹沿着结合线附近疲劳扩展相遇剥落而形成凹坑，剥落区周边不规则，且有摩擦过热、表面变色的现象，如图6、图7 所示。查询该泵运行记录，该推力轴承已连续服役了5年。图5推力轴承剥落损伤形貌油膜峰值压力区轴旋转方向图6推力瓦块龟裂损伤形貌2023年第3 期38小原枝术20.0kV3200um图7推力瓦块疲劳剥落形貌3推力轴承损伤成因分析针对上充泵推力轴承长期服役后出现的损伤问题，从推力轴承的设计结构、运行环境、维修工艺等各个方面开展系统分析，找出推力轴承损伤的所有影响因素，为提高推力轴承的可靠性奠定基础。3.1设计结构影响分析由于上充泵推力轴承存在发黑过热现象，参考机械设计资料 8 ，重点评价推力轴承的PV值（摩擦功大）。根据上充泵轴向力力学模型，计算出上充泵在不同工况下的轴向推力，进而计算主推力轴承的实际承载情况，如表1 所示。上充泵一般运行在小流量（人口压力：0.1 0.1 6 MPa；流量：01 1 4m/h)工况下，推力轴承的PV值部分超过100MPam/s。与通用设计标准比较，推力轴承的PV值偏大，摩擦功过大会引起在其出口油膜温度升高。建立上充泵推力轴承油膜温度场计算模型，推力轴承载荷与油膜出口温度的关系曲线如图8 所示，小流量工况下推力轴承的运行温度在9 5左右，与通常轴承运行温度（6 0 7 0）相比偏高，会导致推力轴瓦出口侧温度偏高。表1主推力轴承承载计算结果人口压力/MPa00.050.080.10.160.452.1流量/(m/h)扬程/m轴瓦压强速度(PV)018309910010110110311115834176096979898100 108 155110125073747576788613314873050515253556311016050040414243445399机械设计关于巴氏合金轴承材料的使用条件：轴承 PV值通常为1 0 1 5MPam/s，最高为1 0 0 MPam/s。1101009080706050600011000160002100026000 31000轴承载荷/N图：推力轴承载荷与油膜出口温度的关系曲线3.2运行环境影响分析上充泵润滑油系统采用外置辅助供油系统，包括一台电动预润滑油泵和一台由齿轮箱驱动的主油泵。正常运行时，由主油泵强制循环润滑油。经调查，上充泵存在两种定期试验和三种不同启动方式。推力轴承的摩擦状态分为边界摩擦、混合摩擦及液体摩擦三种状态，三种摩擦状态随着不同启动方式的改变而发生转化。针对上充泵不同启动方式对推力轴承的影响进行统计，如表2 所示。启动前，上充泵推力轴承润滑系统尚未形成连续的油流和稳定的压力；启动后上充泵立刻转人高速带载，会使推力轴承配合面在边界摩擦阶段发生短暂剧烈接触，同时使其处于混合摩擦的时间较长，会增加损害磨损时间，从而缩短使用寿命。搭建了一套专门的上充泵推力轴承启动工况模拟试验台。模拟试验结果表明，推力瓦块在经历300次快速启动工况后会发生润滑碳化和材料迁移现象，与推力轴承实际损伤相吻合。表2不同启动方式对推力轴承的影响启动对推力轴序号试验名称启动方式周期次数承的影响RPA012预润滑油泵约1 0 0无预润滑+1次/21安注逻辑试和上充泵同次/1 0快速带载启个月验时启动年动预润滑油泵约2 0 0预润滑时间LHPO01启动，延时1次/12次/1 0不足+快速柴油机试验5s后，启动个月年带载启动上充泵预润滑油泵启动，延时约8 0 030s后，系1次/2充分预润滑3定期切泵次/1 0统建立油压周+带载启动年和油流，启动上充泵（收稿日期2022-09-27)胡玉靓）（本文编辑2023年第3 期39小原枝木3.3维修工艺影响分析根据核电厂上充泵维修大纲的要求，每个燃料周期需要对上充泵组的对中情况进行年度检查。而上充泵组进人检修期间，需要对泵液进行排空隔离操作。为防止水润滑轴承磨损损坏，检修过程中严禁盘动上充泵转子，导致上充泵联轴器对中找正时，以泵侧靠背轮为对中基准面，仅转动齿轮箱高速轴来完成泵侧靠背轮的正面读数和边缘读数，上充泵对中偏差较大。同时推力盘的瓢偏一直无法盘动测量。上充泵泵轴材料为不锈钢，调整轴套材料为碳钢。两种不同的金属相互接触而同时处于电解质中会发生接触腐蚀，导致调整轴套端面腐蚀深度不一，如图9 所示，进而会引起运转中的推力盘瓢偏过大。综上，上充泵对中找正检修工艺不佳，易使推力盘瓢偏过大，推力轴承承受交变载荷，从而使其瓦面疲劳开裂。4运维优化研究由于上充泵运行期间推力轴承载荷偏大和定期试验中启动过程润滑不充分，加上检修找中方法不佳，泵组频繁启停产生的交变载荷易加速推力轴承的累积损伤。根据上充泵应急启动特点，为减少启泵过程中推力轴承润滑不足的运行时间，从定期试验操作工序、维修策略和泵组找中工艺等方面开展优化研究。4.1试验工序和维修策略优化研究升版涉及上充泵应急启动的定期运行程序，增加上充泵定期启动前的预润滑操作工序。上充泵投运前，先手动启动辅助润滑油泵，并运转2 分钟，以防止推力轴承长时间停运后进入边界摩擦状态。然而上充泵推力轴承在应急启动过程中仍会有较长时间处于混合摩擦状态，经对比国内外运行数据，将推力轴承的维修更换周期定为1 0 年，消除其瓦面累积磨损损伤隐患。4.2联轴器找中工艺优化研究优化了上充泵泵液检修隔离不排空的运行工序，既保证了水润滑轴承的检修安全，又能同步盘动泵侧、齿轮侧的两个转轴，有效控制上充泵对中图9调整轴套端面接触腐蚀形貌偏差和复查推力盘瓢偏情况。改进了原来使用塞块找中的方法，开发刚性更强的上充泵联轴器对中盘动专用工具，完全消除了由于两半联轴器端面误差、变形等因素的影响。优化后泵组的隔离不排空工艺和找中新工具，使上充泵检修工作更加方便，检修效果更加可靠。5结语针对一端封闭型上充泵推力轴承长期运行后暴露出来的固有缺陷，准确找出了影响推力轴承损坏的各种因素。优化了上充泵定期试验工序和推力轴承维修策略，更新上充泵找中工具和工艺，确保上充泵推力轴承服役寿命可控，保证上充泵安全可靠运行。参考文献1李天斌，张继革，郭鹏，等核电站上充泵在系统中的作用和结构简介 J水泵技术，2 0 1 6（1）：1 2 1 7.2庞志梅，李猛，王艳蕊百万千瓦压水堆核电站核级上充泵样机研制概述 J水泵技术，2 0 1 0（5）：2 1-2 3.3 许德忠，孔令杰，林冲，等核电厂用泵的不预润滑起动轴承介绍 J水泵技术，2 0 0 7（5）：9-1 2.4 许德忠，赵静核电站一端封闭型的上充泵轴向力力学模型分析 J水泵技术，2 0 1 0（3)：1 2-1 5.5 享郭逸，刘强，林仲，等方家山核电站上充泵设计优化分析水泵技术，2 0 2 0（5：1 5-2 0.6朱锦艳，范文秉，陈丽芳，等滑动轴承巴氏合金表面划伤缺陷分析 J电子显微学报，2 0 0 3，2 2（6）：6 3 1.7中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局CB/T18844-2002滑动轴承损坏和外观变化的术语、特征及原因 S北京：中国标准出版社，2 0 0 28吴昌林，张卫国，姜柳林机械设计（第三版）【M武汉：华中科技大学出版社，2 0 1 1.