低壓安注泵及安全殼噴淋泵軸套擦痕問題的原因分析

郭逸

(秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300)

日本福島核電站發(fā)生核泄漏以來，全世界對(duì)核電站專設(shè)安全設(shè)施的可靠性更加關(guān)注。方家山、福清核電工程百萬千瓦機(jī)組采用的是二代加改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)，安全注入系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)均為專設(shè)安全設(shè)施，對(duì)保證核電站在事故工況下安全停堆以及防止放射性物質(zhì)向環(huán)境泄漏起到至關(guān)重要的作用。而低壓安注泵(以下簡稱安注泵)、安全殼噴淋泵(以下簡稱安噴泵)則是安全注入系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)的核心設(shè)備，其安全可靠程度在很大程度上決定了系統(tǒng)的安全可靠程度，因此，對(duì)泵的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)要求極高。

在方家山、福清項(xiàng)目中，安注泵、安噴泵由英國克萊德聯(lián)合泵業(yè)制造生產(chǎn)，在安注泵、安噴泵性能試驗(yàn)后解體檢查過程中多次發(fā)現(xiàn)，泵的6級(jí)水潤滑導(dǎo)軸承均出現(xiàn)了不同程度的擦痕。軸套擦痕較多、較深，有些發(fā)生在軸套兩側(cè)或單側(cè)，有些則大面積出現(xiàn)；而軸瓦中擦痕相對(duì)較輕。在此，對(duì)軸套出現(xiàn)擦痕的問題進(jìn)行分析，以期找到改進(jìn)辦法。

1 泵的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

安注泵及安噴泵的基本參數(shù)見表1[1-2]。安注泵、安噴泵結(jié)構(gòu)完全相同，為筒袋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子較長，由驅(qū)動(dòng)軸(或稱為上軸)、中間軸、泵軸組成，總長4 503 mm，軸與軸之間由卡套聯(lián)軸器連接，整個(gè)轉(zhuǎn)子由1套推力球軸承和6套水潤滑導(dǎo)軸承支承。上軸由推力球軸承和1套水潤滑導(dǎo)軸承支承，中間軸由1套水潤滑導(dǎo)軸承支承，泵軸由4套水潤滑導(dǎo)軸承支承，分別在3個(gè)葉輪和1個(gè)誘導(dǎo)輪處[3-4]。整個(gè)轉(zhuǎn)子較長，屬立式長軸系列泵，該系列泵的轉(zhuǎn)子通常的問題是剛性較差，且水潤滑導(dǎo)軸承屬柔性支承，濕轉(zhuǎn)子的剛性對(duì)導(dǎo)軸承的依賴性非常強(qiáng)，如果導(dǎo)軸承的液膜不穩(wěn)定，甚至發(fā)生動(dòng)靜接觸使得液膜完全破壞，則濕轉(zhuǎn)子的剛性變差。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上看，這類長軸系列泵容易發(fā)生較大的振動(dòng)并產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨，甚至出現(xiàn)卡轉(zhuǎn)子故障。

表1 安注泵、安噴泵基本參數(shù)

2 軸套存在的問題

安注泵和安噴泵在性能試驗(yàn)(包括汽蝕試驗(yàn))、耐久性試驗(yàn)(20 h)后解體檢查發(fā)現(xiàn)，所有的水潤滑導(dǎo)軸承中配對(duì)的軸套與軸瓦均存在擦痕，軸瓦擦痕較輕，軸套擦痕較嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 安注泵解體后軸套外觀圖

3 原因分析

3.1 總體分析

從解體檢查的情況看，軸套與軸瓦肯定發(fā)生了動(dòng)靜摩擦，并因此產(chǎn)生了擦痕。該類型泵早期使用在化工行業(yè)，因介質(zhì)中含有大量的顆粒雜質(zhì)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)軸瓦與軸套采用了硬對(duì)硬的設(shè)計(jì)，以滿足有雜質(zhì)情況下的耐磨性。軸瓦采用的是不銹鋼加襯碳化鎢層(V7級(jí))，而軸套采用的是不銹鋼表面噴鍍碳化鎢(約20～40 μm)。由于該泵軸瓦的表面硬度大于軸套的表面硬度，因此，當(dāng)發(fā)生動(dòng)靜摩擦?xí)r，軸套磨損更為嚴(yán)重。

從擦痕位置上看，上軸的1#軸套、中間軸的2#軸套擦痕較輕；而泵軸處的3#，4#，5#，6#軸套擦痕較嚴(yán)重。原因有兩點(diǎn)：(1)泵軸距剛性支承點(diǎn)(推力球軸承位置)最遠(yuǎn)；(2)整個(gè)轉(zhuǎn)子的載荷主要集中在泵軸處，3個(gè)葉輪和1個(gè)誘導(dǎo)輪均在泵軸上，在推力球軸承處發(fā)生較小的振動(dòng)，經(jīng)杠桿效應(yīng)，放大到泵軸處，振幅比上軸和中間軸處大。

從擦痕的輕重程度來看，可以分成兩類：(1)在軸套的兩側(cè)有擦痕，中間部位沒有；(2)整個(gè)軸套有大面積的擦痕。

對(duì)于第1類情況，分析認(rèn)為，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，軸發(fā)生了傾斜(圖2)，由于軸的傾斜及振動(dòng)，在軸套與軸瓦的單側(cè)或兩側(cè)處發(fā)生了動(dòng)靜摩擦，此時(shí)軸振動(dòng)尚小，不足以使軸套與軸瓦產(chǎn)生全面的接觸。

圖2 軸傾斜示意圖

對(duì)于第2類情況，軸不僅傾斜，而且擺幅較大，使得軸套與軸瓦產(chǎn)生大面積的接觸，因而使軸套產(chǎn)生了大面積的擦痕。

當(dāng)然，還存在混合情況，這是因?yàn)樵谕瑯拥恼穹蛢A斜情況下，由于轉(zhuǎn)子不同處跳動(dòng)大小不同，造成有的地方兩端發(fā)生動(dòng)靜接觸，而有的地方則發(fā)生全面的動(dòng)靜接觸。

3.2 軸傾斜的主要影響因素

影響軸傾斜的主要因素：(1)泵與電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器對(duì)中的問題；(2)卡套聯(lián)軸器。

在實(shí)際試驗(yàn)中，對(duì)泵與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)軸器對(duì)中進(jìn)行了控制，但實(shí)際效果并不明顯，對(duì)中控制對(duì)軸傾斜有影響，但不是關(guān)鍵性因素。

卡套聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖3所示[3-4]，軸與軸之間傳遞扭矩的主要過程為：上軸→鍵+1個(gè)螺釘→套筒→鍵+1個(gè)螺釘→下軸，中間螺柱也承擔(dān)傳遞扭矩的功能，由于無論是鍵槽配合還是螺釘螺柱配合，都是間隙配合，當(dāng)傳遞的扭矩較大時(shí)，都可能產(chǎn)生軸的微小傾斜，因此，卡套聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)是造成運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸傾斜的重要因素。

1—套筒；2—中間螺柱；3，7—鍵；4—上軸；5—螺釘；6—下軸

3.3 軸擺幅過大的影響因素

對(duì)于上述第2類情況，關(guān)鍵的問題是軸擺幅超過了動(dòng)靜配合的間隙值。水潤滑導(dǎo)軸承的動(dòng)靜配合間隙設(shè)計(jì)限值見表2[1-2]。

表2 水潤滑導(dǎo)軸承的動(dòng)靜配合間隙

可以看出，這個(gè)配合間隙非常小，最小的誘導(dǎo)輪處水潤滑導(dǎo)軸承的動(dòng)靜間隙單邊僅為0.06～0.072 5 mm，泵軸的其他處也僅為0.075～0.087 5 mm，如果軸擺幅超過上述配合間隙值則會(huì)產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦，影響軸擺幅的因素有軸跳動(dòng)、軸動(dòng)態(tài)撓度、振動(dòng)引起的軸位移等因素。

3.3.1 泵軸轉(zhuǎn)子跳動(dòng)設(shè)計(jì)值偏大

泵軸轉(zhuǎn)子跳動(dòng)設(shè)計(jì)值為不大于0.08 mm。從理論上講，如果泵軸轉(zhuǎn)子跳動(dòng)達(dá)到0.08 mm，無論振動(dòng)多小，都會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦。從實(shí)際情況看，泵軸轉(zhuǎn)子跳動(dòng)最大可達(dá)到0.07 mm，由此可知，泵軸轉(zhuǎn)子跳動(dòng)設(shè)計(jì)值偏大。

3.3.2 轉(zhuǎn)子靜態(tài)剛性不足

根據(jù)泵的抗震分析報(bào)告，安注泵和安噴泵的橫向一階臨界轉(zhuǎn)速為3 762 r/min(62 Hz)，遠(yuǎn)大于泵的額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min(24.7 Hz)。理論上濕轉(zhuǎn)子的剛性很好，但濕轉(zhuǎn)子的剛性是基于水潤滑導(dǎo)軸承的軸承效應(yīng)，如圖4所示[5-6]。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于發(fā)生了動(dòng)靜摩擦，水潤滑導(dǎo)軸承的液膜局部或完全破壞，則水潤滑導(dǎo)軸承的軸承效應(yīng)將大打折扣甚至喪失，濕轉(zhuǎn)子的剛性將嚴(yán)重下降，轉(zhuǎn)子的撓度將加大，此時(shí)需考慮轉(zhuǎn)子的靜態(tài)剛度。由轉(zhuǎn)子靜態(tài)剛度的經(jīng)驗(yàn)公式得剛度系數(shù)為

圖4 轉(zhuǎn)子軸系示意圖

式中：L為軸承中心距(近似等于泵軸長度，1 630 mm)；W為轉(zhuǎn)子重量(1 640 N)；D為平均軸徑(60 mm)，則計(jì)算得K=740。由圖5可以看出[7]，對(duì)于轉(zhuǎn)速為1 480 r/min的轉(zhuǎn)子，K值應(yīng)在350～750，且越小越好，越小則轉(zhuǎn)子靜態(tài)剛度越高，K=740說明轉(zhuǎn)子剛度已處于允許值的下限。

圖5 軸剛度系數(shù)和最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

3.3.3 泵實(shí)際振動(dòng)偏大

安注泵和安噴泵的振動(dòng)設(shè)計(jì)限值是，在額定流量工況下推力球軸承箱處的振動(dòng)值不大于2.8 mm/s，而實(shí)測中振動(dòng)的最大值達(dá)2.5 mm/s。由于放大效應(yīng)，并且載荷集中在泵軸處，因此，泵軸處的振動(dòng)值在4.0 mm/s左右。振動(dòng)值與峰峰值的換算為[8]

式中：Si為峰峰位移值，μm；Vi為振動(dòng)值，mm/s；fi為頻率，Hz。以Vi=4.0 mm/s，fi=25 Hz，代入公式得Si=72 μm，故泵軸理論的最大擺幅=跳動(dòng)值+峰峰值+動(dòng)態(tài)撓度=0.152 mm+動(dòng)態(tài)撓度，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.06～0.072 5 mm和0.075～0.087 5 mm的單邊間隙，因此，發(fā)生動(dòng)靜摩擦在所難免。

4 改進(jìn)措施

4.1 制造方面的改進(jìn)

(1)提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)，從G2.5提高到G1甚至G0.663，從理論上改善轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況，振動(dòng)烈度有望控制在1.5 mm/s，振動(dòng)造成的軸擺幅則可以控制在27 μm左右；(2)提高轉(zhuǎn)子跳動(dòng)限值標(biāo)準(zhǔn)，如限制在0.03 mm以內(nèi)。如能做到這兩點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子總的擺幅將大幅降低，僅為0.06 mm左右，這樣的軸擺幅則不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦。

4.2 設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)

(1)將軸徑加大至80 mm，則K=416，此時(shí)轉(zhuǎn)子的靜態(tài)剛度會(huì)很好地滿足轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的要求。

(2)由于卡套聯(lián)軸器的固有缺陷，可采用單軸設(shè)計(jì)，取消卡套聯(lián)軸器，可提高轉(zhuǎn)子的剛度和穩(wěn)定性。

(3)將葉輪上置，使主要載荷離剛性支承點(diǎn)更近。如KSB設(shè)計(jì)的凝泵，其也是立式長軸泵，將葉輪上置，除首級(jí)葉輪放置在泵軸處外，其他兩級(jí)葉輪均放在上軸上。

(4)采用常規(guī)的軟對(duì)硬設(shè)計(jì)。若軸套仍采用鍍碳化鎢，則軸瓦采用浸樹脂石墨，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是有更好的耐磨性。

5 結(jié)束語

安注泵和安噴泵作為專設(shè)安全設(shè)施的核電設(shè)備，要具備非常高的可靠性，而在試驗(yàn)階段頻繁發(fā)生動(dòng)靜摩擦，對(duì)泵組的長期穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的威脅。從泵的設(shè)計(jì)和制造兩方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，可以從根本上解決軸套擦痕的問題，并為類似的立式長軸泵的設(shè)計(jì)提供借鑒。