FQHDL35型海水循環(huán)泵齒輪箱軸系擺度超標(biāo)原因

陳坤池，鄭嘉榕，郭金強(qiáng)

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

百萬千瓦核電站循環(huán)泵一般為大型立式混流泵，其功能是將海水加壓后輸送至凝汽器和輔助冷卻水系統(tǒng)[1]。對于大型立式水泵組，其軸系擺度測量、計算、處理及調(diào)整是其安裝、檢修、維護(hù)過程中鑒定安裝質(zhì)量和設(shè)備質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。某百萬機(jī)組核電站1#機(jī)組B 列循環(huán)泵在首次大修檢查時，對電機(jī)、齒輪箱、泵軸三軸軸系擺度盤車復(fù)查過程中發(fā)現(xiàn)泵軸導(dǎo)軸承處以及齒輪箱輸出軸位置擺度值接近1 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出循環(huán)泵泵組安裝規(guī)范驗收標(biāo)準(zhǔn)（泵軸擺度≤0.10 mm，齒輪箱輸出軸擺度≤0.28 mm），可能引起泵組振動惡化、軸承等機(jī)械部件磨損的問題，嚴(yán)重威脅循環(huán)泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障排查及原因分析

1.1 循環(huán)泵泵組結(jié)構(gòu)分析及擺度超標(biāo)故障點(diǎn)確認(rèn)

循環(huán)泵泵組主要由電機(jī)、行星式結(jié)構(gòu)齒輪箱、鋼筋混凝土蝸殼泵、潤滑系統(tǒng)等組成的大型立式混流泵。其軸系擺度由電機(jī)軸線、齒輪箱軸線及泵軸軸線組成[2]。

根據(jù)泵組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對循環(huán)泵電機(jī)、齒輪箱、泵軸系進(jìn)行逐一單獨(dú)盤車排查，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸系擺度合格，齒輪箱單體輸出軸擺度仍為0.98 mm，因此確定了齒輪箱故障是軸系擺度超標(biāo)的主要原因。

1.2 齒輪箱擺度超標(biāo)原因分析及排查

對FQHDL35 型齒輪箱結(jié)構(gòu)功能分析，將造成輸出齒輪箱輸出軸軸擺度超標(biāo)的主要可能原因繪制成石川圖（圖1）。

對盤車條件各因素排查，確認(rèn)了人工盤車轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差且對轉(zhuǎn)子有一定的沖擊但人工盤車不會造成大幅度的擺度超標(biāo)。結(jié)合齒輪箱解體檢查，排除安裝裝配不到位情況，同時確認(rèn)組合軸承完好無磨損。

圖1 齒輪箱輸出軸擺度超標(biāo)石川圖

檢查發(fā)現(xiàn)固定環(huán)裝置中固定套上、下兩對（各2 個）配對圓形截面卡簧中的2 個下卡簧出現(xiàn)不同程度磨損（設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為Φ10 mm，磨損量≤0.5），其中下卡簧截面直徑為Φ9.8 mm（上部磨損0.2 mm），下卡簧截面直徑為Φ8.4（上部磨損0.2 mm；下部磨損1.4 mm）。同時檢查行星芯包裝置外觀，發(fā)現(xiàn)行星輪軸上方可視部分有塊狀及粉末狀巴氏合金碎末，初步定為行星芯包存在故障。

為明確行星芯包故障情況，對其進(jìn)行解體檢查發(fā)現(xiàn)行星芯包中4 根行星輪軸軸瓦表面存在不同程度磨損。行星輪軸軸承部位（巴氏合金）外徑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為mm。經(jīng)檢查測量，4根行星輪軸外徑分別為Φ249.64～249.72 mm（中度粘接）、Φ249.69～249.77 mm（輕度粘接）、Φ249.60～248.57 mm（嚴(yán)重粘接）、Φ249.70～249.86mm（輕度粘接），可以確認(rèn)，齒輪箱輸出軸擺度超標(biāo)的直接原因是行星芯包行星輪軸磨損。具體機(jī)理下文詳細(xì)分析。

因為現(xiàn)場條件及大修工期限制，首次大修現(xiàn)場通過對行星芯包進(jìn)行整體更換后裝配，檢查齒輪箱輸出軸擺度為0.12 mm，聯(lián)軸后測量泵軸擺度為0.09 mm，啟動驗證泵組運(yùn)行正常。

通過上述分析可以確認(rèn)，齒輪箱輸出軸擺度超標(biāo)直接原因為行星輪軸磨損以及固定套下卡簧磨損導(dǎo)致的。行星芯包整體更換后循環(huán)泵泵組擺度合格則從側(cè)面進(jìn)一步排除了電機(jī)、泵軸自身故障的可能。

1.3 齒輪箱擺度超標(biāo)根本原因分析

行星輪與行星輪軸本質(zhì)是一對滑動軸承，本故障齒輪箱行星輪軸巴氏合金軸承主要失效形式是膠合、粘接即瓦面燒毀磨損。軸瓦膠合可能原因有機(jī)組振動超標(biāo)造成齒輪箱運(yùn)行異常、潤滑油黏度設(shè)計不合理、潤滑油流量不足、軸瓦間隙設(shè)計不當(dāng)、瓦面缺油、潤滑油污染等[3]。

（1）調(diào)取循環(huán)泵泵組歷史運(yùn)行情況良好，排除了機(jī)組運(yùn)行異常的可能。

（2）同行電廠其他7 臺同廠家同設(shè)計的循環(huán)泵齒輪箱并無出現(xiàn)擺度超標(biāo)、行星輪軸膠合情況，而且行星芯包整體更換后齒輪箱運(yùn)行正常。排除齒輪箱潤滑油黏度設(shè)計不合理、潤滑油設(shè)計流量不足、軸瓦設(shè)計不當(dāng)?shù)仍O(shè)計共性因素。

（3）行星輪軸軸瓦潤滑油由潤滑油泵從齒輪箱油箱吸油并提供0.17～0.20 MPa 動力、經(jīng)一定長度油管到達(dá)行星輪中心孔后從中間兩個進(jìn)油孔流向瓦面提供潤滑。

調(diào)查齒輪箱安裝調(diào)試情況，循環(huán)泵電機(jī)、齒輪箱、泵軸三軸軸系對中盤車調(diào)整過程中，潤滑油系統(tǒng)處于停運(yùn)狀態(tài)，設(shè)計上未考慮為齒輪箱行星芯包提供帶壓的潤滑油，而是僅采用人工方式行星芯包上方淋油，其潤滑油壓、潤滑油量不足以進(jìn)入行星輪軸瓦面，導(dǎo)致行星輪軸瓦面嚴(yán)重缺油，多次盤車造成瓦面一定程度的磨損。而且，本臺循環(huán)泵為首臺安裝機(jī)組，其安裝盤車次數(shù)最多，可能進(jìn)一步加劇了行星輪軸的磨損。

此外，經(jīng)檢查齒輪箱潤滑油系統(tǒng)過濾器濾芯附著較多可見黑色雜質(zhì)、過濾器濾芯頂部因安全閥脫開失效?？梢源_認(rèn)運(yùn)行過程中，潤滑油未經(jīng)過濾芯直接從旁路通過，潤滑油品質(zhì)惡化加速了行星輪軸軸瓦磨損。

1.4 故障原因分析的結(jié)論

從以上的原因分析可知，可確定齒輪箱輸出軸擺度超標(biāo)的根本原因為設(shè)計上未考慮為齒輪箱行星機(jī)構(gòu)提供有效潤滑，調(diào)試安裝階段，循環(huán)泵電機(jī)、齒輪箱、泵軸三軸軸系對中盤車調(diào)整過程中，行星輪軸瓦面嚴(yán)重缺油，多次盤車造成瓦面磨損；促成原因為潤滑油系統(tǒng)過濾器失效導(dǎo)致潤滑油品質(zhì)惡化；直接原因為行星輪軸瓦面嚴(yán)重磨損。

主要機(jī)理：循環(huán)泵齒輪箱未投入運(yùn)行階段，因在瓦面缺油情況下多次盤車，行星輪軸軸瓦不能及時冷卻、溫度過高，造成巴氏合金層一定程度的磨損、粘接。在后續(xù)長周期運(yùn)行期間，粘連的這部分巴氏合金粘接起更多的巴氏合金，再加上潤滑油品質(zhì)下降，引起行星輪軸軸瓦嚴(yán)重膠合、磨損。行星輪軸磨損引起行星輪運(yùn)行轉(zhuǎn)動存在一定的偏擺，在運(yùn)行過程中行星輪與太陽輪、上下齒圈、固定環(huán)裝置中的齒輪嚙合偏離正常設(shè)計工況，導(dǎo)致行星芯包限位卡簧磨損，兩者相互影響，隨著運(yùn)行時間推移，行星輪軸及卡簧磨損程度加劇，行星芯包在軸向浮動、徑向擺動量偏大，最終導(dǎo)致循環(huán)泵齒輪箱輸出軸擺度超標(biāo)。

2 改進(jìn)措施及維護(hù)優(yōu)化

某百萬千瓦核電站1#～4#機(jī)組循環(huán)泵泵組按照上述措施優(yōu)化后，未再出現(xiàn)泵組輸出軸擺度嚴(yán)重超標(biāo)事件，有效提升了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。根據(jù)泵組運(yùn)行維護(hù)手冊要求，每年大修需復(fù)查調(diào)整循環(huán)泵泵組軸系擺度，針對本次故障提出以下改進(jìn)措施和維護(hù)優(yōu)化。

（1）循環(huán)泵泵組軸系盤車增加齒輪箱盤車輔助潤滑油泵裝置的改進(jìn)。在安裝或檢修盤車期間，因為潤滑油系統(tǒng)處于停運(yùn)狀態(tài)，無法對齒輪箱行星芯包裝置提供有效潤滑油，因此改進(jìn)增加一套盤車輔助潤滑裝置專門為齒輪箱提供潤滑。在后續(xù)數(shù)次大修中驗證了其既能滿足設(shè)備潤滑需求，同時還可以消除手動淋油對擺度測量產(chǎn)生的影響。

（2）優(yōu)化FQHDL35 型齒輪箱檢查標(biāo)準(zhǔn)以提前識別故障。以齒輪箱輸出軸擺度≤0.28 mm 為第一標(biāo)準(zhǔn)，同時輔助檢查行星芯包中兩對卡簧可視部位磨損程度及齒輪箱內(nèi)部金屬顆粒或碎屑的含量，可提前識別設(shè)備潛在故障，提高維護(hù)效率，縮短檢修周期。

（3）嚴(yán)格控制潤滑油品質(zhì)：首先，每年大修需對潤滑油系統(tǒng)過濾器定期檢查清洗；其次，每次設(shè)備檢修后確認(rèn)齒輪箱及潤滑油系統(tǒng)內(nèi)部的清潔度；最后，提高潤滑油指標(biāo)控制要求，其顆粒度標(biāo)準(zhǔn)由原來的≤NAS.8 級提高至≤NAS.6 級，水分控制≤200×10-6的水平。

（4）日常運(yùn)行期間，密切關(guān)注泵組振動、軸承溫度等關(guān)鍵參數(shù)。