某電站大型立式混流泵齒輪箱油霧研究與治理

劉振華，吳 炯

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

某電站一期工程采用了國內(nèi)成熟的CPR1000 壓水堆技術(shù)，為2 臺百萬千瓦機組，每臺機組設(shè)計有2×50%循環(huán)水泵。該泵組主要將經(jīng)粗格柵和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)過濾后的海水輸送到凝汽器，從而實現(xiàn)對二回路蒸汽的冷卻，確保整個機組的熱力循環(huán)順利進行。

該循環(huán)水泵為大型立式混凝土蝸殼泵，在電站現(xiàn)場組裝，主要由預(yù)埋件、葉輪、泵軸、齒輪箱、油站、電機及其他附屬管線組成。

在調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)，該泵組齒輪箱底部輸出軸處有大量油霧冒出并伴有刺激性氣味，而且還導(dǎo)致了如下問題：①油霧揮發(fā)極大地加速了齒輪箱潤滑油損耗，耗油量約1 L/d；②揮發(fā)的油霧凝結(jié)后形成大量油跡，增加了人員滑跌的風(fēng)險；③揮發(fā)的油霧在齒輪箱層廠房聚集，導(dǎo)致該房間消防探頭多次報警，降低了消防設(shè)施的可靠性；④揮發(fā)的油霧對電站運維人員身體健康造成了潛在危害。

1 結(jié)構(gòu)簡介

該循環(huán)水泵齒輪箱為國內(nèi)某齒輪箱公司產(chǎn)的HDBT 型產(chǎn)品，其最大傳輸功率為7140 kW，輸入轉(zhuǎn)速為745 r/min，輸出轉(zhuǎn)速為179 r/min，齒速比為4.16，潤滑油為長城ISO VG100 礦物油（牌號長城4408）。

該產(chǎn)品設(shè)計為立式行星輪結(jié)構(gòu)，電機輸入扭矩后，經(jīng)太陽輪—行星輪—內(nèi)齒輪嚙合副傳動，驅(qū)動行星架實現(xiàn)減速輸出，齒輪箱下部設(shè)計有組合軸承。它除了承受齒輪箱和水泵的徑向力外，還承受齒輪箱轉(zhuǎn)動部件的自重、水泵轉(zhuǎn)子的自重以及水泵工作時所產(chǎn)生的推力。作為整個循環(huán)水泵潤滑油系統(tǒng)的大油箱，齒輪箱箱體底部日常工作時潤滑油量約為1600 L。

齒輪箱輸出端的密封采用插入式靜止的擋油筒隔離結(jié)構(gòu)，擋油筒始終高于齒輪箱內(nèi)部潤滑油油面。擋油筒與齒輪箱推力軸之間有剖分式的密封圈進行密封，該密封圈使用兩圈扣合式彈簧來抱和成為一個整圓，來保證立式齒輪箱的密封（圖1）。

圖1 齒輪箱輸出端結(jié)構(gòu)

推力軸與密封擋圈配合處上方圓周開有8 個直徑為16 mm的孔（氣壓平衡孔），用于平衡齒輪箱內(nèi)外氣壓。

齒輪箱箱蓋的頂部裝有帶加長桿的呼吸器，用于平衡齒輪箱內(nèi)外氣壓（圖2）。

2 原因分析

2.1 密封圈磨損產(chǎn)生油霧

2.1.1 密封圈產(chǎn)生干涉

圖2 呼吸器安裝示意

齒輪箱輸出端轉(zhuǎn)動副唯一接觸結(jié)構(gòu)為擋油筒上安裝的密封圈，該密封圈可能產(chǎn)生干涉引發(fā)摩擦。

對密封圈處配合尺寸進行分析，密封圈和推力軸的平均間隙為0.25 mm，密封圈和擋油筒間隙為3 mm。由此可知，推力軸、密封擋圈、擋油筒形成一個浮動密封結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生干涉問題。

2.1.2 密封圈材質(zhì)問題

密封圈材料為聚酰亞胺，為驗證該密封圈的耐磨性、低發(fā)煙率、高溫下不燃燒等特性，對其進行耐磨和燃燒試驗。

（1）耐磨試驗流程。

①將工裝法蘭的軸頸夾持在車床夾盤上，調(diào)整機床轉(zhuǎn)速，利用旋轉(zhuǎn)的工裝法蘭模擬齒輪箱推力軸內(nèi)孔與密封擋圈的摩擦，試驗時兩者接觸的線速度與實際運行工況保持接近；

②試驗采取兩種工況：一是密封圈與法蘭斷面直接進行干摩擦，二是在密封圈涂抹鋰基潤滑脂，進行濕式摩擦；

③試驗時間：干摩擦和濕摩擦各進行1 h；

④法蘭面和推力軸內(nèi)孔粗糙度保持一致；

⑤摩擦力：通過調(diào)整刀架，模擬兩者間較大的摩擦力。

耐磨實驗結(jié)果：通過嚴(yán)格測試，無論是干式摩擦還是濕式摩擦，在實試驗時間內(nèi)均無煙霧產(chǎn)生；試驗結(jié)束后，密封圈端面未產(chǎn)生明顯磨損。

（2）燃燒試驗。

利用焊槍火焰對準(zhǔn)密封圈（火焰溫度約250 ℃），持續(xù)燃燒5 min，經(jīng)過高溫加熱，密封圈未見煙霧產(chǎn)生，也未發(fā)生劇烈自燃現(xiàn)象。停止加熱后，密封圈自熄。

由上述分析可知，在設(shè)計上，密封圈處為浮動密封結(jié)構(gòu)，不會干涉摩擦；同時，密封圈材質(zhì)優(yōu)異，耐磨和耐熱性好，不會在軸承輸出端處產(chǎn)生油霧。

2.2 潤滑油選型不當(dāng)

安裝調(diào)試時，齒輪箱用潤滑油為長城100#齒輪油。該油品為礦物油，相比合成油，但具有揮發(fā)性更高、黏度指數(shù)低、低溫流動性差、氧化安定性低、熱安定性低、較低的剪切安定性等不足。為驗證該油品揮發(fā)性，分別選取市場上4 種代表性的同黏度油品進行揮發(fā)性試驗。檢測方法SH/T 0026—1990，試驗結(jié)果見表1。其中，除長城4408（100#）為礦物油外，其他均為合成油。

表1 4 種代表性油品在不同溫度下的揮發(fā)性檢測結(jié)果 %

由表1 可知，70 ℃時，礦物油長城4408（100#）揮發(fā)性最大，而3 種合成油揮發(fā)性相差不大，僅為礦物油的一半；隨著溫度升高，4 種油品揮發(fā)速率均加快，但合成油美孚SHC627 和殼牌100#表現(xiàn)良好，且美孚SHC627 揮發(fā)穩(wěn)定性更高。

齒輪箱運轉(zhuǎn)時，油溫約50 ℃，推力瓦處溫度為70 ℃，太陽輪和行星輪嚙合處溫度更高。鑒于美孚SHC627 揮發(fā)穩(wěn)定性好，后續(xù)電廠用該油品進行了替代。經(jīng)一段時間驗證，現(xiàn)場潤滑油損耗明顯變?。? 個循環(huán)周期未加油），油霧揮發(fā)也得到一定改善，但是油霧冒出問題仍未得到根本解決。

2.3 齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

2.3.1 呼吸器設(shè)計不合理

查詢潤滑油SHC627 的黏度特性和試驗數(shù)據(jù)，溫度達到50 ℃左右時，其黏度會大大較低（SHC627 在20 ℃時黏度為274 cSt，50 ℃時為63 cSt），在油溫作用下會產(chǎn)生揮發(fā)性油霧。同時，齒輪箱在運轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)部齒輪的相互嚙合以及軸承的高速運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量熱量，潤滑油在齒輪高速甩動和高溫蒸發(fā)下，會霧化生成大量混合氣體。齒輪運轉(zhuǎn)生成的熱量對齒輪箱內(nèi)部油霧和空氣進行加熱，使其受熱后體積膨脹，從而會造成齒輪箱內(nèi)部氣壓增加。

為維持齒輪箱內(nèi)外部氣壓平衡，保持齒輪箱各部位良好密封，在齒輪箱頂部位置設(shè)計呼吸器裝置（圖2）。齒輪箱運轉(zhuǎn)時，打開呼吸器后可以看到大量油液從加長桿內(nèi)孔中飛濺外溢，造成油液粘附在透氣帽的過濾網(wǎng)上，使其孔徑變小甚至堵塞，進而使齒輪箱內(nèi)的大量氣體無法及時排出。箱體內(nèi)混合氣體不斷聚集，壓力急劇上升，箱體內(nèi)溫度越高，與外界的壓力差越大，當(dāng)其增大到一定程度后，霧化氣在壓差作用下從齒輪箱輸出端、呼吸器憋出。

為驗證上述成因，對同系列齒輪箱進行試驗。

（1）試驗流程：①將齒輪箱頂部支架用塑料保鮮薄膜進行纏繞密封，以模擬齒輪箱實際運行工況，齒輪箱呼吸器數(shù)量、規(guī)格和正常帶載運行保持一致；②齒輪箱試車時的潤滑油油溫、油壓、供油流量、油位與正常帶載運行保持一致；③施加徑向載荷連續(xù)試車2 h。

（2）試驗結(jié)果：①打開齒輪箱呼吸器，有大量混合氣體從齒輪箱內(nèi)部往外冒出；②齒輪箱底部能明顯看到氣體冒出；③試車結(jié)束后打開呼吸器，呼吸器內(nèi)殘留大量潤滑油。

由上述實驗過程可知，呼吸器接口未增設(shè)擋油板，輸入法蘭在轉(zhuǎn)動時將大量潤滑油甩向加長桿，油液飛濺到透氣帽內(nèi)的過濾網(wǎng)，進而引起透氣帽的透氣效率降低。另外，所選用透氣帽可流通空氣流量過小，不利于齒輪箱內(nèi)部大量混合霧氣的排出。這兩種因素造成箱體內(nèi)氣壓遠(yuǎn)大于外部環(huán)境氣壓，從而使箱體內(nèi)的混合霧氣從各通氣處外泄。

根據(jù)試驗結(jié)果，對呼吸器進行了3 次升級改造，將呼吸器加大加高的同時，在筒壁內(nèi)部增設(shè)折流板，以增加油霧揮發(fā)的沿程阻力。該新型呼吸器經(jīng)現(xiàn)場驗證后，齒輪箱底部油霧揮發(fā)現(xiàn)象得到解決，但是油霧改從呼吸器處冒出。該方案仍未能從根本上解決油霧冒出的問題。

2.3.2 齒輪箱結(jié)構(gòu)未完全封閉

從上述試驗可知，該類型采用100#黏度潤滑油的齒輪箱，產(chǎn)生大量油霧已不可避免，呼吸器的改造只是將油霧從齒輪箱輸出軸處改為從呼吸器處冒出，只要齒輪箱存在外泄的通道，油霧就會和內(nèi)部空氣一起溢出，通道越大，溢出越多。

為驗證該成因，對齒輪箱進行全封閉試驗（未帶載）。

（1）試驗流程：①將呼吸器盲板堵住，堵塞輸出軸平衡氣壓孔，在齒輪箱上相蓋處安裝氣壓表來測量其內(nèi)部氣壓數(shù)值，驗證齒輪箱箱體內(nèi)部氣壓能否自動平衡；②拆除所有呼吸器盲板和推力軸平衡氣壓孔絲堵，齒輪箱長時間運行，進行油耗試驗。實驗過程中，輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在746 r/min，供油流量為350 L/min，供油壓力0.16 MPa，密封工裝處壓力為0 MPa，實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 氣壓試驗結(jié)果（未帶載）

（2）試驗結(jié)果：①經(jīng)過6 d 的試驗，齒輪箱上部壓力表數(shù)值一直為0，說明封堵通道后，氣體可以在箱體內(nèi)部自動平衡；②拆除壓力表，明顯發(fā)現(xiàn)該處有油霧溢出；③觀察齒輪箱輸出端，未觀察到有油霧現(xiàn)象；④經(jīng)過5 d 的油耗試驗，耗油量為18.5 L。

通過對齒輪箱的輸出軸平衡氣壓孔及呼吸器進行完全封堵，齒輪箱未觀察到任何油霧冒出。根據(jù)壓力表測量結(jié)果，完全封堵后齒輪箱內(nèi)部氣壓很低，對齒輪箱運行無任何不利影響。

所以，在該齒輪箱設(shè)計結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，選用黏度100#的潤滑油，其在油溫和齒輪嚙合及高速軸甩動下會導(dǎo)致油霧產(chǎn)生，而齒輪箱運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量對油霧和空氣進行加熱后，在內(nèi)外部通道未完全封堵的情況下，使其從通道溢出，最終導(dǎo)致油霧揮發(fā)。

3 解決方案

基于原因分析和試驗結(jié)果，為了防止油霧從齒輪箱內(nèi)部冒出，可以從減少齒輪箱向外部排氣點和改善齒輪箱通氣條件入手，優(yōu)化、改進齒輪箱呼吸器結(jié)構(gòu)，同時封堵輸出軸氣壓平衡孔，防止油霧溢出。具體方案如下：

（1）優(yōu)化呼吸器結(jié)構(gòu)：將原有呼吸器加大加長，呼吸器筒壁內(nèi)部增設(shè)折流板，同時，為防止運行異常出現(xiàn)氣壓過高，設(shè)計預(yù)壓式呼吸器組件（帶有止回閥），當(dāng)內(nèi)部氣壓高于透氣帽設(shè)定值才開啟。

（2）封堵輸出軸氣壓平衡孔：對齒輪箱輸出軸的8 個氣壓平衡孔進行手動攻絲，安裝絲堵以封堵平衡孔（圖2）。

改造完成后，觀察一個循環(huán)周期，齒輪箱底部和上部無油霧冒出，期間未對齒輪箱進行過補油。由此驗證，該方案成熟可行。

4 結(jié)論

某電站齒輪箱油霧產(chǎn)生機理較為復(fù)雜，與潤滑油、溫度、壓力、設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，其油霧的揮發(fā)是一個癥結(jié)性的難題。在其結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，選用100#黏度潤滑油無法阻止油霧形成，所以只能采用封堵和增加沿程阻力的方式，將油霧封閉在齒輪箱內(nèi)部，利用齒輪箱內(nèi)部箱體自動平衡氣壓波動。同時，使揮發(fā)的油霧凝結(jié)，減少潤滑油的外泄損耗。

最終方案的成功實施，解決了齒輪箱油霧揮發(fā)問題，減少了刺激性氣體對電站運維人員的身體傷害，同時每年還可減少潤滑油損耗約1.5 t，為電站節(jié)省成本近10 萬元。

本文從齒輪箱可能產(chǎn)生油霧的各個方面進行綜合分析，同時采用方法進行驗證，最終提出了成功的改造方案。其分析方法和解決思路對同類設(shè)備問題具有借鑒意義。