核電站電動主給水泵組電機主軸腐蝕成因分析及改進措施

李冠君

(中廣核工程有限公司，福建 寧德 355200)

在CPR1000型核電機組中，電動主給水泵系統(tǒng)（簡稱APA）為蒸汽發(fā)生器提供給水，是電廠重要系統(tǒng)之一，其擁有三臺電動給水泵，在正常運行方式下，三臺給水泵中兩臺運行一臺備用，當(dāng)兩臺電動給水泵中任意一臺出現(xiàn)故障時，備用泵將會立即啟動，以保證蒸發(fā)器對給水流量的需求。在各種工況下，主給水泵能從除氧器連續(xù)地向蒸汽發(fā)生器輸送除氧后的給水，通過泵的升壓，把給水壓力從除氧器儲水箱出口處的給水壓力提高到不僅能克服主給水系統(tǒng)的阻力，而且能夠滿足蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生額定壓力主蒸汽所需的壓力。核電站電動給水泵組主要由增壓泵、前置泵、6．6千伏交流電動機、液力偶合器、聯(lián)軸器組成。作為核電廠重要輔機的給水泵組，它的安全運行對機組有著直接影響。

1 背景

2016年在寧德核電機組大修期間，工作人員對二回路系統(tǒng)主給水泵APA201MO進行解體檢修，發(fā)現(xiàn)電機軸軸頸多處存在明顯腐蝕，如圖1所示。

后對其平行位置APA301MO進行解體檢查，APA301MO電機軸軸頸處則也出現(xiàn)了明顯腐蝕，腐蝕位置與APA201MO電機軸完全一樣，且腐蝕程度更為嚴重，如圖2所示。

電動給水泵組主軸腐蝕現(xiàn)象雖然比較少見，但若不給予足夠重視，將對泵組的正常運行產(chǎn)生極大威脅。

圖1 APA201M〇電機主軸腐蝕圖

圖2 APA301M〇電機軸腐蝕

2 腐蝕原因分析及結(jié)論

2.1 腐蝕宏觀分析

委托蘇州熱工研究院腐蝕防護所對已拆卸的APA201MO電機軸進行了現(xiàn)場檢查，利用分析儀及便攜式顯微儀器檢查可知（見圖3所示），腐蝕主要集中在四處：軸頸兩邊、中間甩油環(huán)處以及軸瓦中間。在軸頸兩邊處，腐蝕坑宏觀沿圓周方向呈現(xiàn)條帶狀分布，條帶寬度3～4mm，腐蝕產(chǎn)物為金黃色，呈典型的碳鋼浮銹狀。用便攜式顯微鏡觀察，銹跡呈明顯的擴散狀，如圖4所示，用白潔布擦去表面腐蝕產(chǎn)物后，基體形貌如圖5所示。在腐蝕產(chǎn)物下，軸表面存在各種大小不一的腐蝕坑，根據(jù)工作人員的覆型測厚結(jié)果，腐蝕坑厚度約為 0．1mm。

圖3 APA201M〇軸頸腐蝕

圖4 便攜式顯微鏡觀察

圖5 白潔布擦去表面腐蝕產(chǎn)物后

2.2 金屬材質(zhì)分析

根據(jù)廠家提供的信息，電機軸設(shè)計材質(zhì)為Q345鍛鋼，軸瓦表面材質(zhì)為巴氏合金（基體為碳鋼），甩油環(huán)為銅鋅合金（黃銅）。由于不宜對軸表面進行任何破壞，因此只能利用手持式合金分析法（此方法只能分析主要金屬元素，對于非金屬元素如C、Si、P、S等則無法檢測，因此此方法無法判斷材質(zhì)各元素是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但可以快速判斷現(xiàn)場所用材質(zhì)與設(shè)計文件是否一致）對APA201MO電機軸、軸瓦及甩油環(huán)表面進行材質(zhì)分析，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，電機軸材質(zhì)與設(shè)計文件一致。

表1 電機軸材質(zhì)分析（wt%）

2.3 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

對電機軸頸兩邊、中間甩油環(huán)處以及軸瓦中間腐蝕位置掃描電鏡及能譜分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物（表面浮銹）主要為Fe和O，腐蝕產(chǎn)物為鐵的氧化物，如圖6、圖7所示。

圖6 腐蝕產(chǎn)物掃描照片

圖7 能譜分析結(jié)果

2.4 油樣分析

在APA101MO、APA201MO、APA301MO三處油室取樣進行油質(zhì)分析，取油樣過程發(fā)現(xiàn)除APA101MO油室底部為油外，APA201MO和APA301MO油室底部幾乎均為水。放出油室底部全部水后，取得APA101MO和APA201MO油樣，分析結(jié)果見見表2所示，油樣含水量超標(biāo)。

油樣分析結(jié)果表明，油室內(nèi)含水量超過了標(biāo)準(zhǔn)4倍。

2.5 結(jié)論

APA201MO和APA301MO電機軸被腐蝕的根本原因是油室底部存在游離水，在機組運行階段，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，其拖拽力使油環(huán)也轉(zhuǎn)動，甩油環(huán)在轉(zhuǎn)動過程中將潤滑油旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的拖拽力使油環(huán)也轉(zhuǎn)動，甩油環(huán)在轉(zhuǎn)動過程中將潤滑油帶到軸上，沿軸的軸向移動對軸瓦進行潤滑，隨著轉(zhuǎn)速的增大，甩油環(huán)和軸之間形成一層油膜。純的潤滑油是不導(dǎo)電的，因此，黃銅材質(zhì)的甩油環(huán)和Q345材質(zhì)的軸頸沒有電偶腐蝕的問題。當(dāng)油室存在游離水時，甩油環(huán)在帶走潤滑油的同時，也將部分游離水帶到軸表面，游離水可聚集在軸與甩油環(huán)形成油膜之間。游離水中存在溶解氧（濃度一般為6～8ppm），同時由于外界粉塵經(jīng)過呼吸器進入油室，游離水中還含有Si、Ca等元素（增加游離水的電導(dǎo)率），這促進了碳鋼電機軸在此環(huán)境下發(fā)生腐蝕，甚至接觸部位還會發(fā)生電偶腐蝕（甩油環(huán)為陰極，電機軸為陽極），生成鐵的氧化物。如圖8所示。

圖8 電機軸腐蝕故障圖

3 預(yù)防及改進措施

游離水的產(chǎn)生。根據(jù)拆檢及上述現(xiàn)象分析，APA泵組中高溫、高壓的機封冷卻水泄漏出來后易形成閃蒸或汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致增壓泵、前置泵軸承室油封處于水霧環(huán)境中。由于機械密封冷卻水出口溫度隨機組功率發(fā)生變化，機組滿功率時，泵組間隔腔室的水霧現(xiàn)象會更加嚴重，泵組機封泄漏形成水霧，導(dǎo)致間隔腔室內(nèi)部溫度大于軸承室溫度，油封間隔腔室側(cè)的微正壓要大于潤滑油側(cè)，且油封為間隙密封，無法擋住水霧不侵入軸承室，故粘附在軸承室內(nèi)的游離水隨著潤滑油的循環(huán)流動最終沉積在油室。隨著潤滑油的流動，游離水又被帶到泵及電機各運動部位，日積月累造成電機主軸及各部件的腐蝕。

由于給水泵在核電站蒸發(fā)器供水系統(tǒng)中扮演重要角色，如果電機主軸發(fā)生腐蝕，會降低主軸剛性強度，或者因為摩擦力增大導(dǎo)致軸承損壞，如不采取合理措施將對蒸發(fā)器的穩(wěn)定供水構(gòu)成威脅，影響機組的正常運行。因此必須采取合理的方法對電機主軸的腐蝕予以預(yù)防和處理。

表2 油樣分析

3.1 改進措施

對APA增壓泵和前置泵軸承箱進行改造，釋放泵組機封泄漏至間隔腔室內(nèi)的水霧，結(jié)構(gòu)如圖9所示。常見泵組設(shè)計結(jié)構(gòu)，機封與油封之間的間隔腔室設(shè)置有較大開孔，是常用結(jié)構(gòu)。但寧德核電站電動給水泵前置泵和增壓泵軸承箱沒有開孔，不利于水霧釋放排出。軸承箱開孔對排出水霧作用明顯，常規(guī)火電站電動給水泵軸承箱體均有開孔，故寧德核電站給水泵軸承箱體開孔很有必要，是解決當(dāng)前問題最有效也是最直接的方法。另外，軸承箱開孔方案在技術(shù)方面加工難度小，經(jīng)濟方面改造費用相對不高，安全方面不會對APA泵帶來不良隱患。因此，經(jīng)各專業(yè)評估最終確認實施軸承箱開孔改造方案。

圖9 泵組間隔腔室結(jié)構(gòu)圖

軸承箱開孔的原則：兼顧箱體強度不受影響下，盡可能在原箱體上開最大面積槽孔，經(jīng)設(shè)計及廠家評估，增壓泵整個轉(zhuǎn)子重量及工作時整個轉(zhuǎn)子的動載荷主要集中在下軸承箱體，上箱體承擔(dān)只是承擔(dān)很小一部分轉(zhuǎn)子的動載荷，并且此動載荷最終傳遞到連接螺栓上，因此在上軸承箱體上開孔是安全的。

開孔長度占半圓周40%。壓力泵兩側(cè)軸承上箱體在法蘭根部整個半圓周方向上開孔。壓力級泵非驅(qū)動端開槽孔4個，頂部2個孔長82mm，寬22mm，單孔面積18cm2；底部2個孔長58mm，寬22mm，單孔面積12．76cm2；斜孔在腔室內(nèi)側(cè)定位位置，上邊半徑222mm，下邊半徑200mm。如圖10、11所示。

圖10 非驅(qū)動端上軸承箱體開孔示意圖

圖11 壓力級泵非驅(qū)動端軸承箱開孔位置

壓力級泵驅(qū)動端承受軸向、徑向力遠大于非驅(qū)動端，故考慮軸承箱強度問題，壓力泵驅(qū)動端開槽3個，開孔長度占半圓周42%。，頂部1個孔長145mm，寬22mm，單孔面積31．9cm2；底部2個孔長75mm，寬22mm，單孔面積16．5m2。如圖12所示。

圖12 驅(qū)動端上軸承箱體開孔示意圖

4 結(jié)語

本方案不需更換泵組零部件，直接在軸承箱上加工改造，節(jié)約了成本，同時實施過程中不需要大面積的拆卸泵組設(shè)備，避免了設(shè)備更換時產(chǎn)生的裕量偏差和異物風(fēng)險，安全性和操作性高，具有較好的經(jīng)濟性。

寧德核電廠1/2號機6臺電動給水泵經(jīng)過上述改造后，經(jīng)過18個月的大修周期觀察，電動給水泵運行正常，電機軸再未出現(xiàn)腐蝕及相關(guān)問題。本次軸承箱的改造使電機主軸腐蝕問題得到了有效根治，解決了長期影響機組安全運行的重大設(shè)備問題。為核電站降本增效，提升設(shè)備可靠性提供了有力保障，具有很強的適用性。

參考文獻：

[1]劉幼平．蝕孔、縫隙及裂縫內(nèi)的閉塞電池腐蝕行為及其控制方法[J]．腐蝕與防護，1995，16（3）：111-113．

[2]GB/T 1591-2008,低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼[S]．

[3]劉向東．模糊PID在濕法脫硫pH控制中的應(yīng)用[J]．電力環(huán)境保護,2009,25(3):15-16．

[4]李偉光．電動給水泵電機軸腐蝕失效分析[J]．質(zhì)量控制與失效分析，2015,51．

[5]束德林．工程材料力學(xué)性能2版[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007．