核電廠主給水泵油質(zhì)惡化問題分析及處理

徐 強(qiáng)，楊全超，鄭嘉榕

（福建福清核電維修一處，福建福州 350318）

0 引言

某核電廠1、2 號機(jī)組為M310 型百萬千瓦核電機(jī)組，每臺機(jī)組有3 列主給水泵組，每列泵組包含主給水前置泵、電機(jī)、液力耦合器、壓力級泵及其附屬設(shè)備，各設(shè)備共用一套油系統(tǒng)。2015 年5 月，電廠維修人員現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)1APA301PO（1 號機(jī)組C 列主給水前置泵）軸承室回油視窗有大量泡沫，取樣結(jié)果為水分16210-6、顆粒度NAS12 級（標(biāo)準(zhǔn)為水分20010-6/顆粒度NAS 8 級），水分偏高，顆粒度超標(biāo)。經(jīng)在線濾油、更換潤滑油處理后，油質(zhì)合格，但在隨后6 月和8 月，再次出現(xiàn)類似油質(zhì)惡化情況（圖1）。

該問題反復(fù)出現(xiàn)且長期未得到徹底處理，嚴(yán)重威脅設(shè)備和機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過對主給水泵油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、油質(zhì)惡化現(xiàn)象等過程進(jìn)行對比，對油質(zhì)頻繁惡化原因進(jìn)行排查分析，提出針對性解決方案。

1 主給水泵油系統(tǒng)簡介

1.1 主給水泵油系統(tǒng)

電廠每列主給水泵組各設(shè)備共用一套油系統(tǒng)，包含潤滑油和工作油兩部分。其中潤滑油經(jīng)油泵加壓、雙列濾網(wǎng)過濾和管殼式換熱器冷卻后，由供油管線分別為前置泵、壓力級泵、電機(jī)和液力耦合器的軸承進(jìn)行潤滑和冷卻，之后經(jīng)回油管線回流至耦合器油箱；工作油經(jīng)工作油泵加壓、管殼式換熱器冷卻后，進(jìn)入泵輪渦輪，通過液力和油量來實(shí)現(xiàn)泵輪渦輪的扭矩傳遞和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最終和潤滑油一起匯入耦合器油箱。

1.2 油系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)

油系統(tǒng)與外部（空氣和水）的連接邊界主要有泵軸承室、電機(jī)軸承室、耦合器呼吸器和冷卻器等4 類設(shè)備。

（1）泵軸承室。主要由軸承室、軸承、呼吸器、迷宮式油封、進(jìn)排油管線組成，其中呼吸器、油封處與大氣連通。

圖1 主給水前置泵回油情況

（2）電機(jī)軸承室。主要由軸承室、軸承、呼吸器、迷宮式油封、毛氈密封、進(jìn)排油管線組成，其中呼吸器、油封處與大氣連通。

（3）耦合器呼吸器。主要由濾芯、護(hù)罩和連通管線組成，安裝在耦合器箱體頂部。

（4）冷卻器。每列泵組包括工作油和潤滑油冷卻器各1 臺，冷卻器為管殼式結(jié)構(gòu)，管側(cè)走水（正常運(yùn)行壓力約0.6 MPa），殼側(cè)走油（正常運(yùn)行壓力約0.3 MPa），若換熱器存在內(nèi)漏，有可能導(dǎo)致冷卻水進(jìn)入油系統(tǒng)。

2 油質(zhì)惡化現(xiàn)象

2015 年5 月，1APA301PO 出現(xiàn)潤滑油回油異常情況后，電廠隨即進(jìn)行潤滑油取樣檢測，發(fā)現(xiàn)水含量和顆粒度有明顯上漲趨勢，類似情況反復(fù)出現(xiàn)3 次。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)懷疑油系統(tǒng)有異常進(jìn)水，遂排查泵軸承室、電機(jī)軸承室、耦合器呼吸器和冷卻器等4類位置，均未發(fā)現(xiàn)油系統(tǒng)直接進(jìn)水痕跡。為進(jìn)一步排查水分來源，介紹歷次異常現(xiàn)象和處理過程。

2.1 第一次油質(zhì)惡化及處理

4 月17 日，現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)1APA301PO（泵運(yùn)行）自由端軸承室回油視窗有大量泡沫，取樣檢測（取樣位置為耦合器箱體底部排油閥，后同）發(fā)現(xiàn)潤滑油顆粒度為12 級，水含量16210-6，后續(xù)處理過程如下。

（1）4 月20 日，開始在線濾油（泵繼續(xù)運(yùn)行），4 月27 日，取樣檢測發(fā)現(xiàn)水含量為21610-6，顆粒度12 級，濾油效果不佳，繼續(xù)進(jìn)行在線濾油。

（2）4 月29 日，觀察到1APA302PO（同列壓力級泵）回油視窗上部有水滴。

（4）5 月4 日，停泵后取樣發(fā)現(xiàn)潤滑油水含量已迅速上漲至274010-6，樣品有大量游離水。

（5）5 月9 日，更換大型濾油機(jī)在線換油，之后取樣檢測水分降至87210-6，開始進(jìn)行濾油。

（7）6 月8 日，啟動1APA301PO 泵，之后連續(xù)3 次（6 月8、9、10 日）取樣檢測，結(jié)果分別為：68.910-6/6 級、53.310-6/6 級、60.210-6/5 級，初步判斷潤滑油水分和顆粒度已基本穩(wěn)定，缺陷已消除。

2.2 第二次油質(zhì)惡化及處理

6 月12 日，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)1APA31PO 自由端軸承室回油視窗再次出現(xiàn)大量白色泡沫，取樣檢測水分11910-6/顆粒度12 級，油質(zhì)再次惡化，立即停泵并進(jìn)行在線濾油，后續(xù)處理過程如下。

（1）6 月13 日，濾油10 h 后，測得潤滑油水含量和顆粒度為51.910-6/3 級，油質(zhì)合格，停止濾油。

（2）6 月16 日，對同列主給水前置泵、壓力級泵、電機(jī)各軸承室呼吸器進(jìn)行檢查清洗，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

（3）6 月19 日，對1APA301MO 電機(jī)軸承室進(jìn)行取樣，發(fā)現(xiàn)前置泵側(cè)電軸承室底部排出約100 mL 的游離水，耦合器側(cè)軸承室底部排出約35 mL 的游離水，檢測結(jié)果確認(rèn)積水并非來自SRI 系統(tǒng)。

（4）7 月8 日，啟動1APA301PO 運(yùn)行1.5 h 后發(fā)現(xiàn)泡沫，隨即停泵并取樣，確認(rèn)油質(zhì)為惡化，之后更換耦合器箱體呼吸器濾芯（以消除泡沫）。

（5）7 月15 日，啟動1APA301PO 運(yùn)行正常，其后連續(xù)兩周取樣，潤滑油油質(zhì)合格且保持穩(wěn)定。

2.3 第三次油質(zhì)惡化及處理

8 月3 日，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)1APA31PO 自由端軸承室回油視窗再次出現(xiàn)大量白色泡沫，取樣檢測發(fā)現(xiàn)油質(zhì)為12010-6/10級，已有惡化趨勢，立即停泵并進(jìn)行連續(xù)在線濾油，后續(xù)處理進(jìn)展如下。

（1）8 月11 日，檢查各軸承室呼吸器、耦合器呼吸器、耦合器內(nèi)壁和電機(jī)軸承室，未見異常，取樣檢測發(fā)現(xiàn)油質(zhì)75.910-6/6級，已呈好轉(zhuǎn)趨勢。

（2）8 月12 日，為徹底消除泡沫，臨時(shí)拆除耦合器箱體呼吸器濾芯。

（3）8 月25 日，啟動1APA302PO，檢測潤滑油水分顆粒度為11710-6/10 級，油質(zhì)恢復(fù)到停泵時(shí)水平并呈下降趨勢，未濾油。

2.4 3 次油質(zhì)惡化現(xiàn)象對比（表1）

表1 3 次油質(zhì)惡化現(xiàn)象對比

3 油質(zhì)惡化原因分析

對比發(fā)現(xiàn)，第二、三油質(zhì)惡化情況基本類似，都是前期油質(zhì)穩(wěn)定情況下突然出現(xiàn)泡沫并檢測到油質(zhì)惡化，以下先從這兩次油質(zhì)惡化現(xiàn)象入手，然后根據(jù)結(jié)果對第一次油質(zhì)惡化現(xiàn)象進(jìn)行推理分析。

3.1 耦合器箱體憋壓原因分析

從第二、三次油質(zhì)惡化的異?，F(xiàn)象可以看出，油質(zhì)惡化時(shí)均伴隨有回油視窗充滿大量泡沫，而且泡沫中有明顯的氣流間歇性反涌現(xiàn)象。根據(jù)主給水泵油系統(tǒng)的管路布置，可以判斷泡沫及反向氣流產(chǎn)生的原因在于耦合器箱體憋壓，導(dǎo)致箱體內(nèi)的部分氣體沿回油管路從泵軸承室呼吸器排出，此氣流與回油反復(fù)攪渾從而形成泡沫。導(dǎo)致耦合器箱體憋壓的原因可能有：

（1）油系統(tǒng)進(jìn)水。進(jìn)水使得潤滑油水分和顆粒度惡化，并導(dǎo)致耦合器箱體內(nèi)產(chǎn)生的空氣量大幅增加，從箱體頂部呼吸器無法及時(shí)排出，進(jìn)而造成箱體內(nèi)憋壓。

（2）耦合器呼吸器堵塞。堵塞造成耦合器箱體內(nèi)正常產(chǎn)生的空氣無法正常排出，進(jìn)而累計(jì)造成箱體內(nèi)憋壓。

3.2 油系統(tǒng)直接進(jìn)水可能性分析

根據(jù)主給水泵油系統(tǒng)的管線布置，其可能與外界接觸并直接進(jìn)水的位置有油冷卻器、泵軸承室油封、電機(jī)軸承室油封、呼吸器等4 處。

（1）冷卻器。若存在內(nèi)漏，在泵停運(yùn)狀態(tài)下油質(zhì)會繼續(xù)惡化，但“異?，F(xiàn)象4”顯示停泵后反而有逐步好轉(zhuǎn)趨勢，同時(shí)經(jīng)對工作油和潤滑油冷卻器進(jìn)行打壓檢測合格，未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，故可排除油冷器內(nèi)漏的可能。

（2）泵軸承室油封。若機(jī)封泄漏水飛濺至油封處，則可能造成水進(jìn)入軸承室，經(jīng)檢查機(jī)封疏水管未堵塞，機(jī)封泄漏量極小且一直保持穩(wěn)定，油質(zhì)惡化期間未有突然變化，可排出機(jī)封漏水進(jìn)入軸承室的可能。

（3）電機(jī)軸承室油封。電機(jī)空冷器內(nèi)漏或有冷凝水從電機(jī)內(nèi)部滴入軸承室附近，可能造成水分進(jìn)入軸承室。經(jīng)檢查電機(jī)內(nèi)部未有漏水痕跡，且電機(jī)絕緣檢測合格，可排除電機(jī)軸承室進(jìn)水的可能。

（4）耦合器呼吸器。現(xiàn)場檢查呼吸器附近未有滴水痕跡，排除呼吸器直接進(jìn)水的可能。

另外油質(zhì)檢測結(jié)果顯示，第二、三次油質(zhì)惡化具有突發(fā)性，而上述4 種常規(guī)漏水情況無法解釋此種現(xiàn)象，故排除油系統(tǒng)有直接進(jìn)水的可能。

3.3 耦合器呼吸器堵塞可能性分析

根據(jù)主給水泵油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，進(jìn)入泵軸承室的潤滑油在重力作用下，通過傾斜的回油管線回流至耦合器油箱，回油管段的垂直高度約0.2 m，對應(yīng)壓力約1 kPa。經(jīng)查耦合器呼吸器廠家運(yùn)行維護(hù)手冊，濾芯壓差限制為5 kPa，濾芯為過濾精度3m 的濾紙型濾芯，吸入油氣后極易發(fā)生堵塞。故呼吸器濾芯存在堵塞可能。

同時(shí)濾油期間拆除耦合器箱體側(cè)面盲板和呼吸器濾芯，發(fā)現(xiàn)回油視窗泡沫立即消失，可確認(rèn)耦合器呼吸器濾芯堵塞會造成油視窗泡沫。

綜合上述分析，初步判斷耦合器呼吸器堵塞可能造成油回路憋壓，后續(xù)油回路堵塞，導(dǎo)致油質(zhì)惡化的機(jī)理分析。

3.4 呼吸器堵塞導(dǎo)致油質(zhì)惡化機(jī)理分析

耦合器呼吸器濾芯堵塞，會造成進(jìn)入耦合器箱體內(nèi)壓力升高，進(jìn)入箱體的空氣無法正常排出，只能繞道回油管從泵或電機(jī)軸承室呼吸器排出，回油管中空氣逆流會抑制潤滑油的回流，當(dāng)此空氣量達(dá)到一定程度時(shí)會造成回油不暢，導(dǎo)致空氣與回油充分?jǐn)嚋喍a(chǎn)生大量泡沫。泵回油管線回油示意見圖2。

泡沫的產(chǎn)生極大增加了空氣與潤滑油的接觸面積，使得空氣中的水分和顆粒充分進(jìn)入潤滑油（相當(dāng)于潤滑油對空氣中的水分和顆粒進(jìn)行了持續(xù)過濾），如此不停累積，會造成油系統(tǒng)水分和顆粒度上升。

此推論前提是油系統(tǒng)有空氣進(jìn)入，主給水水泵油系統(tǒng)主要通過泵軸承室呼吸器與油封、耦合器呼吸器、電機(jī)軸承室呼吸器與油封等處與大氣連通。

（1）正常運(yùn)行時(shí)泵軸承室呈正壓，軸承室呼吸器處能觀察到有油煙冒出，可排除泵軸承室呼吸器與油封處進(jìn)入空氣的可能。

（2）正常運(yùn)行時(shí)耦合器箱體呼吸器除有持續(xù)油煙冒出，耦合器箱體一般呈微正壓，故可排除其進(jìn)入空氣的可能。

（3）正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)內(nèi)部由于冷卻風(fēng)扇向內(nèi)側(cè)吸風(fēng)，造成電機(jī)軸承室內(nèi)的空氣從油封環(huán)處被吸入電機(jī)內(nèi)部，導(dǎo)致電機(jī)軸承室內(nèi)部呈微負(fù)壓狀態(tài)，使得外部空氣從呼吸器持續(xù)進(jìn)入軸承室內(nèi)部，此時(shí)部分空氣隨回油進(jìn)入耦合器油箱，造成空氣進(jìn)入油系統(tǒng)。

圖2 泵回油管線回油

3.5 停泵后潤滑油含水量突增機(jī)理分析

從異常情況對比可以看出，第一次油質(zhì)惡化處理期間，壓力級泵回油視窗上壁發(fā)現(xiàn)水滴，且停泵后取樣發(fā)現(xiàn)潤滑油水含量急劇升高，分析其機(jī)理如下。

耦合器呼吸器堵塞，造成箱體上部的空氣含水量增加，空氣相對濕度達(dá)到100%，根據(jù)空氣含水量經(jīng)驗(yàn)公式（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）如下。

式中 Hs——空氣含水量，kg/kg

Ps——某一溫度下水的飽和壓力，Pa

P——當(dāng)?shù)卮髿鈮?，約101 kPa

耦合器箱體上部的空氣容積V 約為2 m3，故停泵后耦合器箱體上部空氣可析出的水量M=（Hs1-Hs2）V=0.58 kg。

同時(shí)在壓力級泵回油視窗可以明顯觀察到，耦合器箱體內(nèi)壁和回油管線上壁已有部分水汽凝結(jié)形成水滴。綜合導(dǎo)致泵停運(yùn)耦合器箱體溫度降低后，空氣中的水大量析出附著在箱體內(nèi)壁，并逐步滴落至潤滑油中，造成停泵后潤滑油含水量急劇升高。同時(shí)部分水滴積聚在耦合器油箱底部，形成游離水，造成油系統(tǒng)大量進(jìn)水的假象。

3.6 原因分析小結(jié)

通過上述分析，可確認(rèn)耦合器呼吸器堵塞是造成主給水泵油質(zhì)惡化的主要原因。正常情況下進(jìn)入油系統(tǒng)的水分可通過呼吸器持續(xù)排出，呼吸器堵塞造成油箱壓力持續(xù)升高。當(dāng)油箱壓力大到足以克服回油管段重力時(shí)，在回油管線形成大量泡沫，泡沫的形成急劇增加空氣中的水和顆粒與油的接觸面積，導(dǎo)致更多水分進(jìn)入油系統(tǒng)且無法從呼吸器有效排出，并持續(xù)累積，最終導(dǎo)致油質(zhì)惡化。具體形成機(jī)理梳理如圖3 所示。

圖3 形成機(jī)理

4 處理方案

電廠主給水泵液力耦合器呼吸器型號ISDF-230，折疊濾紙式結(jié)構(gòu)，過濾精度為3m，濾芯壓差限值為5 kPa，主要用于維持耦合器箱體內(nèi)氣壓與大氣壓的平衡，確保運(yùn)行過程中箱體空氣及時(shí)排出，停泵時(shí)空氣中大型顆粒雜質(zhì)不被吸入。根據(jù)主給水泵油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，進(jìn)入泵軸承室的潤滑油在重力作用下，通過傾斜的回油管線回流至耦合器油箱，回油管段的垂直高度約0.2 m，對應(yīng)壓力約2 kPa。耦合器濾芯吸入油氣后極易發(fā)生堵塞，導(dǎo)致排氣阻力過大，無法實(shí)現(xiàn)其正?？諝饬魍üδ?。

為確保主給水泵正常運(yùn)行，電廠臨時(shí)拆除耦合器油箱呼吸器濾芯，之后長期觀察油質(zhì)恢復(fù)正常且保持穩(wěn)定，初步驗(yàn)證上述推論的正確性。

為徹底解決主給水泵濾芯堵塞和油系統(tǒng)油質(zhì)惡化問題，電廠提出技改，更換了呼吸器濾芯。將原過濾精度為3m折疊濾紙型濾芯，更換為過濾精度50m 濾布式濾芯（圖4，安裝結(jié)構(gòu)尺寸不變），以增加防油煙堵塞能力。2016 年，電廠對液力耦合器呼吸器濾芯實(shí)施技改換型，至今未再出現(xiàn)回油視窗油質(zhì)問題，且取樣水分均保持合格且較低水平。

圖4 呼吸器濾芯

5 結(jié)語

油質(zhì)惡化是電廠轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備油系統(tǒng)的常見問題之一，但是因油箱呼吸器濾芯堵塞導(dǎo)致的潤滑油水含量升高的現(xiàn)象，在電廠設(shè)備中尚屬罕見。該問題曾困擾了某電廠長達(dá)半年之久，即便已鎖定呼吸器濾芯堵塞為主要原因后，仍未敢輕易下定結(jié)論。2016 年，電廠對呼吸器濾芯進(jìn)行改進(jìn)換型后，進(jìn)行長達(dá)3年的觀察驗(yàn)證，期間未再出現(xiàn)油質(zhì)惡化問題，充分印證了分析推理的正確性。本文介紹某電廠主給水泵油系統(tǒng)油質(zhì)惡化問題的異?，F(xiàn)場、推理過程和處理方案，僅供相關(guān)行業(yè)類似問題分析處理參考借鑒。