核電站主給水泵軸向位移超標(biāo)原因分析與處理

楊運(yùn)忠，孫忠志，牛培宇，朱可欣，李明玖

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

田灣核電站二期工程共配置10 臺(tái)帶彈簧隔振基礎(chǔ)的定速主給水泵，該型號泵是水平臥式、雙殼體可抽芯結(jié)構(gòu)的多級、單吸離心泵，采用徑向滑動(dòng)軸承對轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行支撐，采用平衡鼓對主要軸向力進(jìn)行平衡，采用“米契爾”式雙面推力滑動(dòng)軸承來承受殘余軸向力和瞬時(shí)軸向力，并對轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行軸向限位，通過外部潤滑油站對滑動(dòng)軸承進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。主給水泵是核電站常規(guī)島最重要的水泵之一，正常工況下，主給水泵從除氧器里取水，供到高壓加熱器加熱后輸送至蒸汽發(fā)生器，為蒸汽發(fā)生器提供給水，并維持蒸汽發(fā)生器水位在定值范圍內(nèi)，其運(yùn)行的安全可靠性極為重要。

為了監(jiān)測“米契爾”式雙面推力滑動(dòng)軸承及轉(zhuǎn)子部件的運(yùn)行狀態(tài)，在泵自由端軸承室端部配置3 個(gè)軸向位移監(jiān)測探頭，采用三取二的保護(hù)邏輯，當(dāng)軸向位移數(shù)值超過-1000 μm 或+650 μm時(shí)，便會(huì)觸發(fā)軸向位移超標(biāo)報(bào)警信號保護(hù)跳泵。

1 缺陷統(tǒng)計(jì)

田灣核電站二期主給水泵在2017 年10 月—2018 年12 月期間曾7 次出現(xiàn)因軸向位移超標(biāo)保護(hù)跳泵缺陷（表1），嚴(yán)重影響主給水系統(tǒng)及機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

表1 田灣核電站二期主給水泵軸向位移超標(biāo)保護(hù)跳泵缺陷統(tǒng)計(jì)

2 軸向位移超標(biāo)原因分析

2.1 自由端軸承室結(jié)構(gòu)

主給水泵自由端軸承室主要由上、下軸承座、軸承室端蓋、徑向滑動(dòng)軸承、“米契爾”式雙面推力滑動(dòng)軸承、迷宮密封、軸向位移測量盤、儀控探頭等部件組成。

“米契爾”式雙面推力滑動(dòng)軸承由1 個(gè)推力盤、1 組主推力瓦架與6 塊主推力瓦、1 組副推力瓦架與6 塊副推力瓦等部件組成。推力盤滑裝在泵軸上，通過M85 圓螺母進(jìn)行鎖緊；裝有主副推力瓦的主副推力瓦架安裝在軸承座內(nèi)；為了確?！懊灼鯛枴笔诫p面推力滑動(dòng)軸承的正常運(yùn)行，在推力盤和主副推力瓦之間設(shè)計(jì)350～400 μm 的推力間隙。

軸向位移測量盤通過6 個(gè)M6×20 的螺栓固定在泵軸端面，測量盤外端面是軸向位移測量基準(zhǔn)面，在主給水泵裝配時(shí)，除了需保證軸向位移測量基準(zhǔn)面的瓢偏≤0.04 mm 外，還需將轉(zhuǎn)子部件推至工作位（推力盤與主推力瓦處于貼死狀態(tài)），然后調(diào)整3 個(gè)軸向位移監(jiān)測探頭與向位移測量基準(zhǔn)面之間的距離，并將此狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)值設(shè)置為零位。主給水泵自由端軸承室結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 主給水泵自由端軸承室結(jié)構(gòu)

2.2 軸向位移超標(biāo)原因分析

泵組正常運(yùn)行期間，若轉(zhuǎn)子部件整體向驅(qū)動(dòng)端移動(dòng)，則軸向位移變化為“+”值；若轉(zhuǎn)子部件整體向自由端移動(dòng)，則軸向位移變化為“-”值。由于“米契爾”式雙面推力滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)有推力間隙，理論上泵組運(yùn)行期間其軸向位移正常值為-400～0 μm，若軸向位移數(shù)值超標(biāo)，可能的原因如下：

（1）軸向位移監(jiān)測探頭損壞或信號干擾導(dǎo)致軸向位移超過-1000 μm 或+650 μm。

（2）軸向位移監(jiān)測探頭零位設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致軸向位移超過-1000 μm 或+650 μm。

（3）軸向位移測量盤瓢偏過大或松動(dòng)導(dǎo)致軸向位移超過-1000 μm 或+650 μm。

（4）聯(lián)軸器中間間隙或電機(jī)磁力中心不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求導(dǎo)致軸向位移超過-1000 μm 或+650 μm。

（5）原始推力間隙不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求導(dǎo)致軸向位移超過-1000 μm 或+650 μm。

（6）副推力瓦嚴(yán)重磨損或燒毀導(dǎo)致軸向位移超過-1000 μm。

（7）主推力瓦嚴(yán)重磨損或燒毀導(dǎo)致軸向位移超過+650 μm。

（8）推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)導(dǎo)致軸向位移超過+650 μm。

調(diào)取主給水泵運(yùn)行曲線，發(fā)現(xiàn)7 次跳泵均為軸向位移監(jiān)測數(shù)值同時(shí)上漲突破+650 μm 觸發(fā)保護(hù)。

2.3 泵組解體檢查

對泵組進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)7 次軸向位移超標(biāo)跳泵缺陷均存在推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)（圖2）問題，其軸向位移監(jiān)測探頭觸發(fā)的為真實(shí)信號，另檢查軸向位移測量盤瓢偏、聯(lián)軸器中間間隙、電機(jī)磁力中心、原始推力間隙、泵軸、主副推力瓦未見明顯異常。

圖2 推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)

3 推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)原因分析

3.1 核實(shí)推力盤鎖緊圓螺母旋向設(shè)計(jì)是否正確

為了使轉(zhuǎn)子部件上的緊固件越轉(zhuǎn)越緊，其緊固件的鎖緊方向應(yīng)與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。田灣二期主給水泵從電機(jī)向泵看為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，所以理論上從泵驅(qū)動(dòng)端對轉(zhuǎn)子零部件進(jìn)行鎖緊的緊固件為左旋螺紋，從泵自由端對轉(zhuǎn)子零部件進(jìn)行鎖緊的緊固件為右旋螺紋，而推力盤鎖緊圓螺母是從泵自由端對轉(zhuǎn)子上的推力盤進(jìn)行鎖緊，所以該圓螺母應(yīng)為右旋螺紋。經(jīng)檢查推力盤鎖緊圓螺母為M85 右旋螺紋，與理論設(shè)計(jì)一致。

3.2 核實(shí)泵組是否出現(xiàn)過反轉(zhuǎn)缺陷

若主給水泵因電機(jī)反轉(zhuǎn)或出口逆止閥損壞導(dǎo)致停泵時(shí)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)子上緊固件的鎖緊方向一致，造成緊固件松動(dòng)。經(jīng)查詢泵組運(yùn)行參數(shù)未曾出現(xiàn)反轉(zhuǎn)信號，且主給水泵出口逆止閥功能完好，所以泵組未曾出現(xiàn)過反轉(zhuǎn)缺陷。

3.3 核實(shí)推力盤鎖緊圓螺母緊固防松情況

主給水泵推力盤的鎖緊防松裝置如圖3 所示，主要由M85 圓螺母、M85 開口圓螺母和M8 螺釘組成。開口圓螺母圓周加工有一個(gè)環(huán)形槽，環(huán)形槽外側(cè)有1 個(gè)錐形孔，內(nèi)側(cè)加工1個(gè)M8 螺紋通孔。在推力盤滑裝至泵軸后，將M85 圓螺母旋入泵軸螺紋對推力盤進(jìn)行緊固；將M85 開口圓螺母旋入泵軸螺紋并擰緊進(jìn)行雙螺母防松；將M8 螺釘旋入開口圓螺母的螺紋通孔內(nèi)并擰緊，使開口圓螺母螺紋變形進(jìn)行防松；使用樣沖在緊固好的M8 螺釘端面打樣沖眼，防止螺釘松動(dòng)。

圖3 推力盤鎖緊防松裝置結(jié)構(gòu)

2017 年10 月，30LAC12AP001 首次出現(xiàn)因推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)導(dǎo)致軸向位移超標(biāo)保護(hù)跳泵缺陷，對泵組進(jìn)行解體，檢查M85 開口圓螺母、M85 圓螺母和M8 螺釘無異常，重新回裝推力盤鎖緊防松裝置。采用手錘敲擊勾頭扳手對兩個(gè)圓螺母進(jìn)行緊固；使用開口扳手旋轉(zhuǎn)螺絲刀對螺釘進(jìn)行緊固；使用樣沖在緊固好的螺釘端面打樣沖眼；泵組回裝完畢后投入運(yùn)行。

2018 年1 月，30LAC12AP001 再次出現(xiàn)因推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)導(dǎo)致軸向位移超標(biāo)保護(hù)跳泵缺陷。按照廠家要求，在推力盤和M85 圓螺母之間增加一個(gè)圓螺母用止動(dòng)墊圈（原設(shè)計(jì)無該止動(dòng)墊圈），在螺紋上涂抹適量的螺紋緊固膠后正確回裝推力盤鎖緊防松裝置（圖4），此后該泵組未出現(xiàn)過同類缺陷。

圖4 設(shè)計(jì)、安裝、膠粘圓螺母止動(dòng)墊圈

2018 年2 月，30LAC11AP001 出現(xiàn)因推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)導(dǎo)致軸向位移超標(biāo)保護(hù)跳泵缺陷，對泵組進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)將M8 螺釘旋入M85 開口圓螺母的螺紋通孔并擰緊后，螺釘?shù)念^部凸出開口圓螺母端面1.90 mm（圖5）。若在該情況下裝配推力盤鎖緊防松裝置，螺釘無法使開口圓螺母的螺紋變形防松，其防松性能下降。用銼刀將螺釘?shù)拈L度銼短，使螺釘在擰緊狀態(tài)下不凸出M85 開口圓螺母端面；按照增加圓螺母用止動(dòng)墊圈和涂抹適量螺紋緊固膠的方案對推力盤鎖緊防松裝置進(jìn)行正確回裝（圖6），此后該泵組未出現(xiàn)過同類缺陷。

圖5 螺釘凸出開口圓螺母端面

圖6 修銼后的螺釘安裝狀態(tài)

3.4 持續(xù)改進(jìn)

總結(jié)30LAC11/12AP001 缺陷的處理經(jīng)驗(yàn)，對3 號機(jī)組其余3 臺(tái)主給水泵采取檢查M8 螺釘、增加圓螺母用止動(dòng)墊圈和涂抹適量螺紋緊固膠的方案對推力盤鎖緊防松裝置進(jìn)行處理，此后3 號機(jī)組5 臺(tái)主給水泵未出現(xiàn)過同類缺陷。

該方案雖然有效解決了3 號機(jī)組主給水泵推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)導(dǎo)致軸向位移超標(biāo)跳泵缺陷，但在后續(xù)檢修過程中發(fā)現(xiàn)涂抹過螺紋緊固膠的圓螺母無法正常拆卸，強(qiáng)行拆卸對泵軸螺紋有較大損傷，因此多次對圓螺母采取切割破壞拆除的方式。由于涂抹螺紋緊固膠存在一定弊端，為此對4 號機(jī)組5 臺(tái)主給水泵只采取了檢查M8 螺釘和增加M85 圓螺母止動(dòng)墊圈的措施。

2018 年11—12 月，4 號機(jī)組4 臺(tái)主給水泵先后出現(xiàn)因推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)導(dǎo)致軸向位移超標(biāo)保護(hù)跳泵缺陷，對泵組解體發(fā)現(xiàn)圓螺母止動(dòng)墊圈均存在斷裂情況（圖7）。

圖7 圓螺母止動(dòng)墊圈斷裂

經(jīng)分析，M85 圓螺母在圓周上對稱加工有4 個(gè)矩形槽，用于將圓螺母止動(dòng)墊圈防松齒翻邊卡至矩形槽內(nèi)對圓螺母進(jìn)行防松，由于止動(dòng)墊圈防松齒位置是固定的，當(dāng)圓螺母鎖緊后，其矩形槽可能無法完全與防松齒對齊，導(dǎo)致無法將防松齒翻邊卡至矩形槽內(nèi)。而為了將防松齒翻邊卡至矩形槽內(nèi)，往往采取以下兩種方式：

（1）將M85 圓螺母完全擰緊，此時(shí)矩形槽與防松齒可能無法完全對齊，通過將防松齒寬度銼窄直至防松齒能夠翻邊卡至矩形槽內(nèi)，但銼窄的防松齒強(qiáng)度會(huì)降低，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。3號機(jī)組5 臺(tái)主給水泵采用該方式，由于在螺紋上涂抹螺紋緊固膠，提高了防松能力，因此避免了止動(dòng)墊圈斷裂失效。

（2）將M85 圓螺母緊固至矩形槽與防松齒對齊位置，然后將防松齒翻邊卡至矩形槽內(nèi)，但此時(shí)圓螺母的緊固力度可能不夠，圓螺母在泵組振動(dòng)的作用下容易松動(dòng)，此時(shí)防松齒相比正常情況下承受的作用力更大，更容易產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。4號機(jī)組5 臺(tái)主給水泵采用該方式，最終造成圓螺母用止動(dòng)墊圈斷裂失效。

經(jīng)分析研究，內(nèi)舌鎖緊墊圈不受圓螺母矩形槽位置的影響，可在任意位置進(jìn)行翻邊并卡在矩形槽內(nèi)，為了提高圓螺母防松性能，決定采用內(nèi)舌鎖緊墊圈替代圓螺母止動(dòng)墊圈。首先將4 號機(jī)組5 臺(tái)主給水泵的圓螺母止動(dòng)墊圈更換為內(nèi)舌鎖緊墊圈（圖8）投入運(yùn)行（螺紋未涂抹螺紋緊固膠），運(yùn)行狀態(tài)良好，且不影響泵組檢修時(shí)圓螺母的正常拆卸。之后將該方案繼續(xù)推廣至3 號機(jī)組5 臺(tái)主給水泵；此后，10 臺(tái)主給水泵再未出現(xiàn)因軸向位移超標(biāo)保護(hù)跳泵缺陷。

圖8 設(shè)計(jì)、安裝內(nèi)舌鎖緊墊圈

4 結(jié)束語

分析田灣二期主給水泵軸向位移超標(biāo)跳泵缺陷，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生該缺陷的原因是推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)所致。為此，先在3 號機(jī)組采用增加圓螺母止動(dòng)墊圈和涂抹適量螺紋緊固膠的方案，但發(fā)現(xiàn)涂抹螺紋緊固膠的圓螺母無法正常拆卸，該方案存在一定弊端；之后在4 號機(jī)組采用只增加圓螺母止動(dòng)墊圈方案，由于圓螺母止動(dòng)墊圈自身結(jié)構(gòu)的原因，無法可靠對圓螺母進(jìn)行防松；最后采用內(nèi)舌鎖緊墊圈替代圓螺母止動(dòng)墊圈，在未涂抹螺紋緊固膠的前提下解決了推力盤鎖緊圓螺母松動(dòng)問題，且不影響泵組檢修時(shí)圓螺母的正常拆卸。