主泵電機潤滑油損失異常的分析和處理

潘曉峰，楊 寶

（秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300）

秦山第一核電廠的主泵電機自運行以來，一直存在運行過程中潤滑油損失的問題。在R1～R10大修中，主泵電機的年度檢查先后都發(fā)現(xiàn)在電機的各層面及空冷器上有較多的積油現(xiàn)象。我們的主泵電機因為結(jié)構(gòu)的原因，少量的潤滑油蒸發(fā)損失是正常現(xiàn)象。由于潤滑油損失的正常與否沒有一個量的衡量，因此在R10之前的多次換料檢修過程中，雖然對主泵A、B電機的潤滑油損失問題進行過專項檢查及維護，但是一直未能更好地解決問題的根源。在C11的運行周期中，尤其在下半循環(huán)周期中主泵A電機上油槽頻繁出現(xiàn)了油位低報警，經(jīng)上油箱油位視窗對油位目測檢查確認，發(fā)現(xiàn)電機上油箱油位確實偏低，實際油位低于油位中線2～3 mm。因此對電機上油箱進行了5次補油的應(yīng)急處理，其5次加油時間和加油量分別為：2009年8月26日加油13 L，10月29日加油9 L，12月16日加油6 L，2010年1月23日加油4 L，2月26日加油10 L。由此可以看出報警的時間間隔越來越短，也就是說潤滑油損失在加劇。主泵A電機頻繁加油的問題必須引起高度重視。主泵是整個核電站的心臟，如果主泵在運行期間突然出現(xiàn)故障保護，將導(dǎo)致電站的異常停堆，不但影響經(jīng)濟效益，而且可能對電站安全造成威脅。經(jīng)過多次組織專題會議討論，決定在R11換料檢修期間徹底查明原因，解決問題。

1 主泵電機結(jié)構(gòu)簡介

P300工程反應(yīng)堆冷卻劑泵電機為立式恒速感應(yīng)電動機，功率4 500 kW，電壓6 000 V。電機整體結(jié)構(gòu)分為上機架、下機架、轉(zhuǎn)子部件和中間定子線圈部分。自潤滑的推力軸承承受整個電機轉(zhuǎn)子的重量。推力軸承通過下部的軸瓦柄定位于分體式軸承板的瓦座孔中，軸承板通過定位銷與軸承殼連接，防止軸承板隨軸一起轉(zhuǎn)動，又限制軸承板的徑向移動。推力盤熱裝在轉(zhuǎn)子上，通過背緊螺母固定。軸承殼裝在推力盤外部，通過固定螺母定位在上機架上。導(dǎo)軸承裝在軸承殼與推力盤之間，通過調(diào)整螺釘?shù)木苈菁y使得軸承間隙得到準確的調(diào)整。軸承的迷宮密封是用整圓形的拉緊彈簧把對分式密封環(huán)結(jié)合在一起，密封環(huán)由擋油管上的臺階和用定位螺釘固定在擋油管上的定位環(huán)來定位的，定位銷分別錯開180°，防止密封環(huán)隨軸一起轉(zhuǎn)動。擋油管（上油槽內(nèi)桶）與軸頸（或推力盤）之間通過三道整體密封環(huán)起到主要的密封作用，這些密封裝在擋油管上，與軸頸有足夠的間隙，以致軸在徑向上偏移1 mm時，密封仍不會損壞。

在上機架的下部，即為轉(zhuǎn)子鐵芯和定子線圈的冷卻風(fēng)扇。外殼板上的通風(fēng)孔，使冷卻空氣均勻的通過定子繞組的端部，進入轉(zhuǎn)子鐵芯，上下通路匯合到一起后一起流向定子線圈，吹向外殼上的空冷氣，使冷卻氣流得到冷卻，最終使整個設(shè)備環(huán)境溫度得到冷卻。

推力盤內(nèi)壁上，設(shè)計有油溝，收集沿著推力盤內(nèi)壁上升并越過擋油管的三道浮油密封的爬油，這些油通過推力盤上的油孔返回油槽。越過擋油管的漏油聚集在油槽下的軸肩位置時，被甩入集油盤，然后經(jīng)泄油管排出（見圖1）。

瓦箱內(nèi)的油路循環(huán)與浮油密封環(huán)的作用：油箱中的油通過瓦箱下部側(cè)孔進入到瓦箱內(nèi)部對推力瓦進行潤滑。在推力盤轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生離心力的作用下，一部分油通過導(dǎo)瓦箱進油孔到達導(dǎo)瓦室內(nèi)對導(dǎo)瓦進行潤滑冷卻，然后沿著回油管回流到油箱內(nèi)被冷油器冷卻；另一部分油會沿著推力盤內(nèi)孔與擋油管之間的間隙向上爬升。但是浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)孔之間的間隙很小，爬升的潤滑油會被浮油密封環(huán)阻擋而保持一定的壓力，所以，浮油密封環(huán)不但有消除潤滑油液面擾動的作用，而且還可以保證有足夠的潤滑油進入到導(dǎo)瓦室對其潤滑冷卻（見圖1）。如果浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)孔間隙過大，密封不嚴，就會使?jié)櫥屯高^浮油密封環(huán)，但是這會導(dǎo)致對上導(dǎo)瓦的潤滑油量大大減少，難以保持瓦箱的正常油壓，從而使導(dǎo)瓦室內(nèi)的潤滑油滯留時間變長，極大地影響導(dǎo)瓦潤滑冷卻效果。如果浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)孔的間隙過小，又會使其摩擦增大，從而產(chǎn)生局部高溫，增加潤滑油過熱蒸發(fā)損失。因此，浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)孔間隙大小的控制十分重要。

2 初步分析與方案制訂

針對主泵A電機上油箱潤滑油異常損失，經(jīng)過機/電/儀/運行及技術(shù)部門多次的專題討論和分析，決定在R11主泵電機解體大修中排除所有可能造成潤滑油損失的原因，并且安裝一個磁質(zhì)伸縮油位計來實時監(jiān)控主泵電機上油槽實際油位，避免原來的浮球油位計只能夠檢測油位最高和最低點的不足。根據(jù)對設(shè)備結(jié)構(gòu)和運行數(shù)據(jù)分析，油氣的異常損失是由于電機在運行情況下，潤滑油異常產(chǎn)生局部高溫不能得到及時冷卻而產(chǎn)生油氣，在上油槽呼吸不暢空氣呼吸器堵塞的情況下，腔室內(nèi)存在正壓，產(chǎn)生的油氣不能通過推力盤上的油孔返回上油槽。此時油氣就會在轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)扇的抽吸下，沿著上油槽的內(nèi)擋油管和集油盤與轉(zhuǎn)軸之間的間隙，再進入到整個空氣循環(huán)風(fēng)路當(dāng)中，最終積存在電機各層面隔板和機架上。

針對以上可能性的分析和討論結(jié)果，制訂如下檢修方案：（1）對主泵電機目視油位鏡機械零位進行檢測和重新標定；（2）對電機上油槽浮油密封環(huán)尺寸進行測量，對比新舊密封環(huán)外形尺寸；（3）將浮油密封環(huán)安裝尺寸升高1～2 mm，以達到更好的密封效果；（4）上油槽加油孔內(nèi)桶包裹有目數(shù)較細的過濾網(wǎng)，足可以起到防塵防灰的作用，故去掉空氣呼吸帽致密的過濾片，以保持上油槽腔室內(nèi)部呼吸暢通。具體采用以上方案哪些條款，視檢解體過程中的具體情況而定。

3 主泵電機的解體檢修過程中的檢查和測量

在主泵電機解體檢修過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)：主泵A電機上油箱潤滑油損失情況較為嚴重，損失的油主要積存部位分別位于電機的各個層面：

（1）電機定子層面以及空冷器通道（見圖2），與風(fēng)道相通的電機下機架通風(fēng)孔（見圖3）。

（2）定子線圈保護罩內(nèi)部（見圖4）以及下機架上部（見圖5）積存著大量的油污。

（3）在電機與泵軸承箱的連軸器層面也有較多積油（見圖6）。此處的油可以沿著油箱與泵座的四周縫隙向下流向機械密封壓蓋的層面（見圖7）。

（4）在電機轉(zhuǎn)子的表面未發(fā)現(xiàn)明顯油污（見圖8），定子線圈表面油污情況也較干凈（見圖9）。

（5）在位于上油箱密封面下65 mm處有儀控探頭出線孔，在出線孔部位發(fā)現(xiàn)油漬，存在油散失情況（見圖10至圖13）。

主泵電機上油槽儀控線孔位于油箱上部，由于接頭內(nèi)密封圈老化出現(xiàn)漏油痕跡，所以會有油跡，分析原因為主泵電機上油槽呼吸帽呼吸不暢，油箱內(nèi)存在正壓油氣，從儀控測溫線的不嚴密之處向外溢出。

（6）其他檢查：

機械油位鏡的檢查：連接件沒有變形，焊口沒有漏點和變形。

轉(zhuǎn)子同心度的檢查：定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，同心度良好；

轉(zhuǎn)子與上下油箱的同心度良好；

轉(zhuǎn)子與上下導(dǎo)瓦間隙均勻，上下導(dǎo)瓦和推力瓦瓦面未發(fā)現(xiàn)有異常磨損和燒蝕。

圖2 電機定子層面Fig.2 Stator layer

圖3 定子線圈上下通風(fēng)孔Fig.3 Stator coil vents

圖5 電機下機架上部Fig.5 The top of motor lower bracket

圖6 軸承箱上蓋處Fig.6 Bearing box cover

圖7 主泵機械密封壓蓋周圍Fig.7 The periphery of the RCP mechanical seal gland

圖8 電機轉(zhuǎn)子表面Fig.8 Rotor surface

圖9 定子線圈表面Fig.9 Stator coil surface

圖10 上油槽內(nèi)部出線孔Fig.10 Inner cable hole of up-tank

圖11 上油槽外部出線孔Fig. 11 Outer cable hole of up-tank

圖12 上油槽外部出線孔油漬Fig.12 Lubrication on the outer cable hole of up-tank

圖13 上油槽出線孔密封結(jié)構(gòu)Fig.13 Sealing structure of the outer cable hole of up-tank

根據(jù)檢查和測量，發(fā)現(xiàn)推力盤與軸的配合（過盈量0～0.01 mm）相對較松，新的推力盤備件經(jīng)過實測數(shù)據(jù)如表1、表2所示（過盈量0.03～0.04 mm）。

浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)徑間隙的檢查（見圖14、圖15）

推力盤內(nèi)徑（非配合處）244.00 mm；

最上一級浮油密封環(huán)外徑2 4 3.6 5～243.84 mm，存在橢圓，推力盤內(nèi)徑244.03 mm；

中間一級浮油密封環(huán)外徑2 4 3.5 0～243.78 mm，存在橢圓，推力盤內(nèi)徑244.00 mm；

最下一級浮油密封環(huán)外徑2 4 3.5 3～243.78 mm，存在橢圓，推力盤內(nèi)徑244.00 mm；

在檢查浮油密封墊片時發(fā)現(xiàn)第二級密封墊的定位銷彎曲（見圖16），并且外徑磨損情況也較嚴重（見圖17），單邊減少0.03～0.20 mm，外徑顏色有焦糊狀。

表1 推力盤與軸的配合檢查數(shù)據(jù)Table 1 Fitness checking data between thrust disk and shaft

表2 新的推力盤備件實測數(shù)據(jù)Table 2 Measured data of new thrust disk spare parts

圖14 三級浮油密封及電機推力瓦Fig.14 Three stage floating oil seal rings and motor thrust bearing

圖15 推力盤內(nèi)部磨痕Fig.15 Wear scar in the thrust disk

圖16 彎曲的銷釘Fig.16 Bent pin

圖17 浮油密封外徑焦糊Fig. 17 Burnt surface of the floating oil seal ring

電機的機械部分除潤滑油損失情況較為嚴重以外其余各部分配合、間隙、磨損、定位、表面防腐等情況均屬良好。

（7）經(jīng)過測量，上導(dǎo)瓦中心在浮油密封環(huán)上部的壓環(huán)中間部位，位于油位鏡中線下0.6?mm處，目視油位鏡標定正常。

4 對潤滑油產(chǎn)生異常損失的原因及分析

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況來看，上油槽浮油密封有磨損，但是仍然保持密封作用。主泵電機上油槽箱體沒有發(fā)現(xiàn)任何異常漏點，集油槽內(nèi)并沒有存油，集油槽放油閥完好，排除了潤滑油直接向外泄漏的可能。

根據(jù)現(xiàn)場潤滑油積存的情況來判斷，潤滑油的損失是以油氣蒸發(fā)的形式產(chǎn)生的。油氣隨著電機定轉(zhuǎn)子循環(huán)冷卻風(fēng)進入到電機的各個層面，最終冷卻凝結(jié)積存下來。

浮油密封環(huán)軸向位移的限位是由擋油管上的臺階和用定位螺釘固定在擋油管上的定位壓環(huán)的間隙來控制的。為防止其隨軸轉(zhuǎn)動，浮油密封環(huán)通過定位銷限位在壓環(huán)的開口槽內(nèi)，以保證其可以在沿著直徑方向移動。密封環(huán)通過外徑與推力盤內(nèi)徑之間保持著間隙配合，而密封環(huán)內(nèi)徑與擋油管之間有較大間隙，所以，在主泵電機一直保持運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，密封環(huán)實際上是在隨著電機推力盤一起徑向小幅位移的振動。所以在正常狀態(tài)下，壓環(huán)的開口槽應(yīng)該是只承受一個密封環(huán)摩擦力的反作用力，而定位銷隨著轉(zhuǎn)子部件徑向振動時可以在開口槽內(nèi)沿直徑方向往復(fù)自由運動。通過對設(shè)備狀況的分析，在檢查過程中發(fā)現(xiàn)密封壓環(huán)的開口槽的開口方向與整個壓環(huán)的直徑方向偏離了一定的角度，而沒有完全與直徑方向重合（見圖18）。在這種情況下，密封壓環(huán)的開口槽就受到了兩個力的作用，一個是密封環(huán)摩擦力的反作用力，一個是由于壓環(huán)開口槽導(dǎo)向與密封環(huán)隨著電機推力盤在徑向方向上的振動方向不一致而產(chǎn)生的阻力，其各個力與合力的方向如圖19所示。在此同時，在開口槽偏斜而壓環(huán)材質(zhì)又較軟的情況下，導(dǎo)致密封壓環(huán)的開口槽在定位銷長期撞擊力作用下，壓環(huán)開口槽沿著合力的方向出現(xiàn)凹槽，使定位銷嵌進了凹槽內(nèi)，失去了浮油密封環(huán)在沿著半徑方向的補償作用。一旦第一級浮油密封環(huán)被限制了位置，在定位銷的限制作用下，第二級和第三級密封環(huán)也不能完全補償轉(zhuǎn)子的徑向振動及其推力盤在導(dǎo)軸承偏差范圍內(nèi)沿半徑方向上的移動，從而會增大浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)徑的摩擦，導(dǎo)致上油槽浮油密封環(huán)嚴重磨損。浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)徑的摩擦也會產(chǎn)生高溫，使得密封環(huán)與推力盤內(nèi)徑之間的摩擦更加嚴重。摩擦的加劇導(dǎo)致了密封環(huán)定位銷在剪切力作用下發(fā)生了歪斜甚至是彎曲。彎曲的定位銷更導(dǎo)致了環(huán)與環(huán)之間的強制錯位，從而不斷產(chǎn)生局部的高溫，加重了油氣的過熱蒸發(fā)。

圖18 浮油密封環(huán)受力示意圖Fig. 18 Stress schematic of floating oil seal ring

圖19 密封壓環(huán)受力示意圖Fig.19 Stress schematic of sealing ring

5 油氣散失通道的分析

通過現(xiàn)場積油情況檢查和分析，主泵A電機定轉(zhuǎn)子氣隙間積存油漬并不是很多，油氣通過氣隙間散失小部分，而通風(fēng)孔部位積存的油較多，可見大部分的油氣散失是通過定子線圈的上下通風(fēng)孔進入到定子線圈與空冷器的中間腔室，一部分在遇到空冷器時溫度下降凝結(jié)成油滴，再通過下通風(fēng)孔向下滴落至下油箱上部蓋板面上并大量積存在那里。另外，油箱中的油氣在油箱內(nèi)空氣層有一定正壓時，大大削弱了透過浮油密封環(huán)的油氣通過推力盤上的回油孔的回油功能，從而導(dǎo)致大量的因浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)孔摩擦而產(chǎn)生的過熱蒸發(fā)油氣，只能沿著轉(zhuǎn)子與擋油管之間的縫隙通過，而被轉(zhuǎn)子上的冷卻風(fēng)扇抽吸進入到冷卻循環(huán)風(fēng)當(dāng)中。另外一部分油氣也有從儀控進線孔流失到上機架通風(fēng)通道中的可能。

對油氣散失通道的分析如圖20所示。

6 對潤滑油損失異常的處理

本次檢修我們對上下油箱的6個浮油密封全部進行了更換。在解決這個問題方面，我們采取了以下幾種措施。

第一，在更換之前，對新的推力盤內(nèi)徑和浮油密封環(huán)的外徑全部進行了測量，發(fā)現(xiàn)新的浮油密封環(huán)外徑尺寸從243.88～243.92 mm不等，新的推力盤內(nèi)徑為243.97 mm，根據(jù)要求浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)徑的間隙在0.10～0.12 mm之間，間隙過小將會導(dǎo)致摩擦過大，間隙過大會導(dǎo)致密封不嚴，不能保壓。我們對所有浮油密封環(huán)外徑采用了打磨處理并用金相砂紙拋光，使三級浮油密封環(huán)外徑尺寸相同，在安裝之前都進行了試安裝（見圖21），確保浮油密封環(huán)與推力盤內(nèi)徑的配合間隙合適。并且保證安裝時的同心度，使其達到最佳的密封效果而又使摩擦程度最低。

第二，舊的浮油密封環(huán)定位銷漏出與埋入密封環(huán)的比例將近2:1，也就是說漏出的多余埋入的尺寸。這種比例更容易使定位銷在長期受力情況下發(fā)生彎曲。在浮油密封環(huán)之間間隙很小的情況下，將定位銷漏出的尺寸調(diào)整為2 mm，這樣也能使定位銷安裝的更加牢固而不發(fā)生彎曲變形，并且足可以保證滿足其作用效果。通過對定位銷的安裝比例進行調(diào)整，以保證其長期受力而不至于發(fā)生變形。另外，定位銷的埋入部分進行了滾花處理，安裝時從下向上安裝，避免密封環(huán)內(nèi)孔上部被擴大而容易傾斜彎曲。

圖20 油氣隨冷卻循環(huán)風(fēng)散失示意圖Fig.20 Loss of lubrication exhalation

第三，由于浮油密封壓環(huán)的材質(zhì)偏軟，且凹槽開口方向與壓環(huán)直徑方向有一定的夾角，導(dǎo)致浮油密封環(huán)定位銷在壓環(huán)開口槽上不能沿著直徑方向自由移動，這也是導(dǎo)致定位銷發(fā)生彎曲的一個因素。因此，對浮油密封壓環(huán)的定位凹槽進行了重新修整，使其開口方向在整個壓環(huán)的直徑方向上，并且對已經(jīng)出現(xiàn)的壓痕進行了處理。

圖21 浮油密封環(huán)徑向間隙的調(diào)整Fig. 21 Floating oil seal ring radial clearance adjustment

第四，對浮油密封壓環(huán)的間隙控制采用了壓塞尺的方式，使壓環(huán)與浮油密封環(huán)之間的間隙均勻且使其處在最佳的擾動間隙范圍內(nèi)（見圖22）。

第五，根據(jù)季節(jié)和設(shè)冷水溫度的變化，設(shè)備運行上適當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)冷水量，以保持潤滑油溫在正常溫度范圍內(nèi)，以減少潤滑油油氣蒸發(fā)損失。

第六，去掉上油槽空氣呼吸帽致密的過濾片，保持上油槽腔室內(nèi)部呼吸暢通。

第七，由于上油槽浮油密封環(huán)安裝標高與原設(shè)計沒有沖突，沒必要將浮油密封環(huán)墊高，取消本項方案的實施。

圖22 浮油密封環(huán)軸向間隙的控制Fig.22 Floating oil seal ring axial clearance control

7 結(jié)束語

通過以上分析，造成主泵A電機潤滑油損失異常的主要原因是由于浮油密封壓環(huán)本身開口槽偏離直徑的隱患缺陷的存在，在長時間運行下，加之定位銷分配比例不合理，在摩擦力作用下，致使定位銷彎曲而失去補償功能，加劇摩擦，促使了潤滑油損失異常問題的發(fā)生。由于浮油密封壓環(huán)的缺陷隱患存在，所以要更加深刻的分析和理解導(dǎo)致主泵電機頻繁加油的深層次原因。大型的立式電機上，該結(jié)構(gòu)的上油箱形式皆存在一定的油氣蒸發(fā)損失的問題。為了使油氣蒸發(fā)損失達到盡可能小的程度，要做到：（1）改善油箱空氣層的呼吸暢通；（2）嚴格控制各相關(guān)部件的配合間隙；（3）在今后還應(yīng)當(dāng)進一步學(xué)習(xí)和了解國內(nèi)外對該類型的電機針對油蒸發(fā)散失的問題所進行的有效技改。在無風(fēng)險的前提下，如果能通過對油品的比較、對密封環(huán)材料和擋油管的改良、對油箱呼吸帽的改進等方面做出更進一步的工作，主泵電機油氣散失的情況會得到更加良好的控制和改善。

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