核主泵電機(jī)軸承燒毀事故分析

楊全超，文 學(xué)

（中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡(jiǎn)稱主泵），是核島一回路系統(tǒng)中唯一旋轉(zhuǎn)的設(shè)備[1]，用于驅(qū)動(dòng)一回路冷卻劑循環(huán)流動(dòng)，以便將反應(yīng)堆的熱量帶至蒸汽發(fā)生器加熱二回路工質(zhì)[2]，產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)二回路推動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。核主泵被喻為核島的心臟，其性能及可靠運(yùn)行直接影響核電站的發(fā)電能力和安全。主泵電機(jī)則是驅(qū)動(dòng)主泵平穩(wěn)運(yùn)行的動(dòng)力源。

1 電機(jī)軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)介紹

國(guó)內(nèi)某核電廠1#機(jī)組主泵電機(jī)由哈電集團(tuán)獨(dú)立研發(fā)、制造，是我國(guó)首次國(guó)產(chǎn)核主泵電機(jī)。該電機(jī)型號(hào)為YLH7500-4，為三相鼠籠式異步感應(yīng)電機(jī)，其頂部設(shè)置有止逆機(jī)構(gòu)，下部設(shè)置有失電后可暫時(shí)維持一回路冷卻的惰轉(zhuǎn)飛輪。泵與電機(jī)采用鋼性聯(lián)軸器連接，這樣可使電機(jī)與泵共用一組雙向推力軸承，整個(gè)泵組軸承采用“半傘式”3軸承布置。主泵運(yùn)行時(shí)由自身的機(jī)械油泵為泵組軸承提供潤(rùn)滑冷卻，主泵停轉(zhuǎn)時(shí)則可用外置的泄漏油泵和頂軸油泵實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。該電機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)可以分為4個(gè)油路。

（1）頂軸油路。頂軸油泵從軸承室內(nèi)的貯油箱吸入油并將其直接泵入軸向軸承的主推力瓦側(cè)。在軸承箱內(nèi)，來(lái)自頂軸油泵的油與其他回路的油混合。油從軸承箱出來(lái)流經(jīng)油冷卻器進(jìn)入軸承箱內(nèi)部的貯油箱。頂軸油回路在主泵啟運(yùn)和關(guān)閉之前投運(yùn)，以釋放主推力瓦的軸向載荷。

（2）主潤(rùn)滑油路。主泵運(yùn)行期間，潤(rùn)滑油循環(huán)由一個(gè)獨(dú)立安裝在電機(jī)軸上的油葉輪維持。此油葉輪從軸承箱內(nèi)的貯油箱吸油并將其泵入主副推力瓦、泵的徑向軸承、電機(jī)的徑向軸承。在軸承箱內(nèi)，來(lái)自油葉輪的油與來(lái)自頂軸油泵的油混合，然后經(jīng)油冷卻器冷卻，流回軸承箱內(nèi)的貯油箱中形成循環(huán)。流向電機(jī)徑向軸承的潤(rùn)滑油流量為45 L/min，這部分潤(rùn)滑油先潤(rùn)滑和冷卻主泵電機(jī)的徑向軸承，然后以溢流的方式通過(guò)一個(gè)回油管流回軸承箱內(nèi)的貯油箱內(nèi)。

（3）油密封泄漏油路。油葉輪下部布置有油機(jī)械密封，為減少機(jī)械密封面的發(fā)熱與摩擦，油機(jī)械密封需要有一定泄漏量，漏油通過(guò)集油盤回到泄漏油箱中。

（4）泄漏油箱油路。泄漏油箱油通過(guò)2個(gè)泄漏油泵泵入電機(jī)上軸承室中，然后通過(guò)溢流管線返回軸承室油箱，形成完整回路。泄漏油泵的啟停動(dòng)作由泄漏油箱的油位觸發(fā)。

2 電機(jī)上導(dǎo)軸承運(yùn)行機(jī)理

電機(jī)上導(dǎo)軸承油箱屬于上機(jī)架的一部分，上導(dǎo)軸承安裝在其中。正常工作時(shí)，油箱內(nèi)充有潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油通過(guò)進(jìn)出油管進(jìn)行循環(huán)，潤(rùn)滑并冷卻導(dǎo)軸承。上油箱有2個(gè)進(jìn)油管，1個(gè)排油管。一個(gè)進(jìn)油管在主泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí)向上導(dǎo)軸承供油，另一個(gè)在正常工作時(shí)向上導(dǎo)軸承供油；排油管將冷卻軸承后的高溫潤(rùn)滑油排出并導(dǎo)入下方的推力軸承儲(chǔ)油箱。

電機(jī)上導(dǎo)軸承由英國(guó)RENK公司設(shè)計(jì)制造，潤(rùn)滑直徑450 mm，由8塊表面鑲有巴氏合金的軸承組成，內(nèi)部油潤(rùn)滑機(jī)理如圖1所示。安裝在導(dǎo)瓦下部的密封環(huán)與滑轉(zhuǎn)子之間保持約1 mm間隙，該間隙在滑轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)情況下依靠潤(rùn)滑油的黏度效應(yīng)，將油池底部的潤(rùn)滑油吸入到導(dǎo)軸承與滑轉(zhuǎn)子之間形成油膜，之后經(jīng)過(guò)軸瓦間隙及軸承基座上的旁通孔流回油池形成潤(rùn)滑循環(huán)。

3 事故分析與處理

3.1 事故描述

2013年9月20日下午，該核電機(jī)組3#主泵電機(jī)按計(jì)劃進(jìn)行空載試運(yùn)行試驗(yàn)。電機(jī)于17:45:35啟動(dòng)，運(yùn)行大約4 min后，上導(dǎo)軸承溫度信號(hào)顯示異常，尤其X方向軸瓦溫度上升較快。17:50:41，X方向上導(dǎo)瓦溫度達(dá)到105℃，接近跳機(jī)值（110℃），主控室操作員立即切斷電機(jī)電源。隨后電機(jī)惰轉(zhuǎn)，上導(dǎo)瓦溫度持續(xù)升高，并最高達(dá)到130 ℃（圖2）。

圖1 電機(jī)上導(dǎo)軸承內(nèi)部潤(rùn)滑

圖2 電機(jī)上導(dǎo)瓦溫升曲線

在排除溫度探頭故障后，調(diào)試人員認(rèn)為有燒軸瓦風(fēng)險(xiǎn)，遂對(duì)主泵電機(jī)上導(dǎo)瓦進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)情況如下。

（1）所有軸瓦表面烏金均嚴(yán)重?fù)p壞，瓦塊進(jìn)出油邊的烏金飛邊嚴(yán)重；

（2）滑轉(zhuǎn)子圓周表面出現(xiàn)連續(xù)嚴(yán)重劃痕；

（3）上油箱潤(rùn)滑油發(fā)黑，油箱底部沉積有較多的巴氏合金粉末。

3.2 原因分析

3.2.1 ISHIKAVA圖分析

利用魚刺圖（圖3），列舉出所有可能造成軸瓦燒毀的原因并逐個(gè)分析排除。主泵電機(jī)上導(dǎo)軸承裝配是電機(jī)安裝的最后一道工序。按照施工程序，完成安裝最后一道工序時(shí)對(duì)上油箱內(nèi)部組件進(jìn)行徹底清潔，隨后用濾油機(jī)沖洗直至油質(zhì)化驗(yàn)合格后為泵組注油，因此不可能是油質(zhì)問(wèn)題。在電機(jī)試車前就已確認(rèn)投入了油冷器冷卻水并保持油溫在較低范圍內(nèi)，因此不可能是油溫高造成軸承損毀。

圖3 魚刺圖

通過(guò)調(diào)取試車時(shí)主油管上的流量計(jì)讀數(shù)，流量始終保持在45 L/min且沒(méi)有波動(dòng)；上油箱油位為50.4%，符合廠家給出的正常油位范圍，因此軸瓦潤(rùn)滑油量是充足的。電機(jī)單體試車，載荷小。據(jù)裝配記錄顯示，在進(jìn)行電機(jī)組裝時(shí)上導(dǎo)軸承瓦面和滑轉(zhuǎn)子表面均完好無(wú)缺陷。因此部件質(zhì)量不是造成此次事故的原因。

通過(guò)對(duì)比泵組島內(nèi)對(duì)中數(shù)據(jù)和組裝廠房電機(jī)盤車調(diào)中心數(shù)據(jù)，并在3#主泵電機(jī)上導(dǎo)瓦故障后，復(fù)測(cè)滑轉(zhuǎn)子到上油箱止口距離，認(rèn)為電機(jī)軸在試車前后一直處于中心位置，可排除軸承偏心的原因。在拆卸過(guò)程中，各螺栓緊固無(wú)部件松動(dòng)現(xiàn)象?？紤]到所有軸瓦損壞情況均一致，懷疑軸瓦損壞原因可能為軸瓦間隙過(guò)小，導(dǎo)致潤(rùn)滑不良。

3.2.2 趨勢(shì)分析

從發(fā)生事故時(shí)上導(dǎo)瓦溫升趨勢(shì)線（圖4）可以看出，電機(jī)啟動(dòng)約4 min時(shí)，溫度曲線的切線斜率突然變大，即導(dǎo)瓦的溫度在此點(diǎn)后迅速升高。對(duì)比該電機(jī)在制造廠空載試驗(yàn)時(shí)軸承溫升曲線（圖5），溫度的上升曲線切線斜率是逐漸變小的，這一現(xiàn)象說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的電機(jī)導(dǎo)軸承與在制造廠空載試驗(yàn)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)是不同的。

表1列舉了現(xiàn)場(chǎng)試車時(shí)電機(jī)機(jī)架的振動(dòng)值和電機(jī)軸位移值。在表中可以看出，除了電機(jī)在啟動(dòng)瞬間軸位移值為48.4 μm和53.6 μm以外，無(wú)論是在瓦溫突變（17:49:10）之前還是之后，以及切斷電源后的一段時(shí)間內(nèi)，軸位移數(shù)值均未超過(guò)17 μm，切斷電源時(shí)的軸位移也只有13.3 μm。參考1#，2#主泵電機(jī)的空載試車記錄:2部電機(jī)軸位移分別約為30 μm和40 μm，上導(dǎo)軸承溫度約為78.5℃。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)上導(dǎo)瓦溫升趨勢(shì)線

圖5 廠家試驗(yàn)時(shí)上導(dǎo)瓦溫升趨勢(shì)線

表1 電機(jī)機(jī)架振動(dòng)和軸位移振動(dòng)數(shù)據(jù)

在通常情況下，如果油膜穩(wěn)定，機(jī)械間隙正常，軸位移會(huì)在一定范圍內(nèi)小幅波動(dòng)，若油膜遭到破壞，軸振動(dòng)數(shù)值會(huì)出現(xiàn)振蕩發(fā)散現(xiàn)象。但是3#電機(jī)上導(dǎo)軸承在事故突發(fā)前后，軸位移數(shù)值幾乎少有變化，油膜的變化對(duì)該值未見有影響，那么可以推斷，軸瓦在啟動(dòng)后不久就進(jìn)入了近乎抱軸狀態(tài)，轉(zhuǎn)子是靠機(jī)械間隙在運(yùn)行，油膜沒(méi)有建立或者由于間隙過(guò)小而在運(yùn)行不久就迅速被破壞。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證

基于以上分析，利用調(diào)節(jié)螺栓和軸承座上的原始印記進(jìn)行軸瓦復(fù)原，并測(cè)量軸瓦間隙值見表2。從表2可以看出，1#～5#軸瓦的瓦間隙和值小于0.17 mm，并且此時(shí)瓦面的狀態(tài)是瓦的中部已經(jīng)受到磨損，烏金面變薄，出油邊烏金面變厚，未磨損時(shí)的狀態(tài)瓦間隙和值應(yīng)該更小。3#～7#軸瓦間隙和值為0.37，與1#～5#軸瓦存在較大差異。對(duì)8#軸瓦的厚度測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，8#軸瓦的瓦面磨損最為嚴(yán)重，瓦面中間的磨損量超過(guò)0.2 mm，而此時(shí)8#軸瓦的瓦間隙值為0.25，對(duì)面位置的4#軸瓦瓦面也是除8#軸瓦外磨損最為嚴(yán)重的，而同時(shí)4#軸瓦、8#軸瓦均是安裝測(cè)溫元件的兩塊瓦。復(fù)測(cè)記錄由于是在研瓦狀態(tài)復(fù)原后進(jìn)行，存在一定誤差，但考慮軸瓦中部存在少量磨損那么實(shí)際間隙可能比測(cè)量數(shù)據(jù)更小，也即說(shuō)明瓦間隙不均和偏小是存在的。

由以上分析可以確定，上導(dǎo)軸承間隙過(guò)小是造成此次事故的直接原因。由于電機(jī)啟動(dòng)不久便出現(xiàn)事故，可以確定安裝上導(dǎo)瓦時(shí)導(dǎo)瓦間隙沒(méi)有按照規(guī)程要求的單邊0.15 mm進(jìn)行，故此次事故系安裝質(zhì)量事故。

表2 實(shí)測(cè)軸瓦間隙

3.3 后續(xù)處理

從潤(rùn)滑油回路看，主泵上油箱與主油箱是直接連接的。雖然主泵電機(jī)只運(yùn)轉(zhuǎn)6 min，但拆卸主油箱出油管，發(fā)現(xiàn)有少量顆粒物，這表明上導(dǎo)瓦損壞后，還是有部分巴氏合金粉末進(jìn)入中間油箱，存在損壞主泵組合軸承、油密封、頂軸油泵等旋轉(zhuǎn)組件風(fēng)險(xiǎn)。隨即對(duì)主油箱及油管單獨(dú)沖洗直至油質(zhì)滿足要求。由于滑轉(zhuǎn)子、軸瓦已基本損毀，需要更換新的軸瓦及滑轉(zhuǎn)子。新的軸承安裝完成后，按照相關(guān)的程序?qū)?dǎo)瓦間隙進(jìn)行了調(diào)整。再次完成注油后啟動(dòng)電機(jī)，上導(dǎo)瓦溫升正常，電機(jī)試運(yùn)行4 h各參數(shù)均正常（表3）。

表3 電機(jī)再次空載試車數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

主泵電機(jī)是核電廠一回路唯一的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其運(yùn)行質(zhì)量的好壞直接決定著電廠經(jīng)濟(jì)效益以及核安全，因此對(duì)電機(jī)的安裝調(diào)試質(zhì)量必須足夠重視。該電廠1#機(jī)組3#主泵在電機(jī)單體試車過(guò)程中發(fā)生的軸瓦燒毀事故，表明其目前的質(zhì)量管理方式尤其是對(duì)承包商的質(zhì)量管理還存在一定的不足。本文結(jié)合該事故，從“人機(jī)料法環(huán)”的角度深入剖析了造成該事故的人為原因，以期對(duì)同行電廠的安裝調(diào)試工作提供借鑒。