廠用水泵軸承冷卻水變更

摘要：三門核電廠用水泵采用立式液下長軸泵，該泵使用AR材質(zhì)的徑向軸承、海水潤滑。由于三門灣海水泥沙含量較高，直接采用高含沙海水潤滑冷卻徑向軸承，必將造成沙礫侵入軸承摩擦副導(dǎo)致磨損加速。本論文將針對(duì)軸承可能過早產(chǎn)生的磨損失效問題，考慮對(duì)該泵軸承潤滑冷卻水進(jìn)行改造，將軸承潤滑冷卻介質(zhì)從高含沙海水改為工業(yè)淡水，為今后該泵徑向軸承過早可能產(chǎn)生的磨損失效問題的處理提供一個(gè)技改參考方案。

關(guān)鍵詞：立式液下長軸泵;AR材質(zhì);徑向軸承;含沙海水;磨損失效

三門核電AP1000單堆機(jī)組設(shè)置了4臺(tái)廠用水泵為一回路設(shè)備冷卻提供冷源，廠用水泵為立式液下長軸泵的結(jié)構(gòu)，泵體總長17米左右。由多段筒體和軸組成，兩級(jí)葉輪設(shè)計(jì)，徑向軸承采用海水潤滑的耐磨AR軸承。直接采用海水進(jìn)行泵軸承潤滑，會(huì)造成沙礫侵入軸承摩擦副從而加速磨損。本文將針對(duì)這一問題，在已有泵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出一些小范圍的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，為今后處理此問題提供一個(gè)參考方案。

1 徑向軸承失效機(jī)理

1.1 長軸的渦動(dòng)

軸的渦動(dòng)又稱甩轉(zhuǎn)，是轉(zhuǎn)軸圍繞某一偏離幾何軸心的軸線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。長軸機(jī)械在徑向軸承間隙過大時(shí)非常容易產(chǎn)生軸的渦動(dòng)。發(fā)生軸渦動(dòng)后，要及時(shí)維修被磨損軸徑或更換軸承，使軸和軸承間隙達(dá)到正常，如不及時(shí)更換磨損的軸套和軸承，徑向軸承的磨損速度會(huì)加劇，軸容易彎曲，甚至造成更嚴(yán)重的斷軸事故。

1.2 AR軸承在含砂海水中的磨損

三門灣海水泥沙含量為3.83～7.396kg/m3，杭州灣海水中泥沙的平均含沙量為2.5kg/m3，最大含沙量為4.22kg/m3。秦山核電等使用AR軸承的相關(guān)液下長軸泵，檢修周期為12-18個(gè)月、個(gè)別泵不到12個(gè)月就需檢修。在泵解體后檢發(fā)現(xiàn)，徑向軸承、軸套配合間隙超標(biāo)，且表面均會(huì)出現(xiàn)犬齒狀溝槽，與以上分析一致。

1.3 防止泥沙侵入軸承的措施

鑒于以上的原因，在設(shè)計(jì)輸送含有磨粒介質(zhì)的泵時(shí)，一定會(huì)考慮軸承/軸套與介質(zhì)的兼容性，并會(huì)采取一定的方法避免介質(zhì)直接與徑向軸承接觸。一般較常見的設(shè)計(jì)是設(shè)置泵軸護(hù)套管。護(hù)套管與每組軸承相連接，從而形成一個(gè)獨(dú)立的腔室，再引入一股壓力較高的清水來潤滑和冷卻軸承，且可以防止含雜質(zhì)的介質(zhì)侵入。綜合以上可以推測(cè)：三門核電廠用水泵在今后的運(yùn)行中，可能會(huì)按照以下的失效模式產(chǎn)生故障：由于設(shè)計(jì)之初未將徑向軸承與含砂海水隔離，大量海沙進(jìn)入徑向軸承摩擦副;海沙做為磨粒，加速了AR軸承和雙相不銹鋼軸套的磨損，導(dǎo)致軸套表面粗糙，軸承間隙增大;粗糙的表面惡化了摩擦副的工作狀態(tài);軸承間隙達(dá)到某一臨界值后，發(fā)生泵軸渦動(dòng)，產(chǎn)生了附加的徑向力，增加了磨損軸承以及相鄰軸承的載荷，加速軸承的磨損;軸承磨損后，泵機(jī)組振動(dòng)變大，運(yùn)行可靠性下降，并可能造成更進(jìn)一步的損壞。

2 總體改造方案介紹

針對(duì)上述的問題，為提高廠用水泵的運(yùn)行可靠性，可以為各級(jí)徑向軸承引入一股清水進(jìn)行潤滑冷卻，并使清水的注入壓力大于海水，從而防止含砂海水進(jìn)入軸承。但由于廠用水泵已經(jīng)設(shè)計(jì)定型，不可能做出太大的改動(dòng)。綜合多方面考慮和對(duì)若干備選方案進(jìn)行對(duì)比后，最終選擇以下方案：

葉輪級(jí)的導(dǎo)流殼及軸承支架處的軸承室采用軸護(hù)套管連接、所有軸承支架在其軸承室及筒體壁上打孔，增加注水管線，在各級(jí)軸承室上增設(shè)浮環(huán)密封結(jié)構(gòu)，從而形成多個(gè)相對(duì)封閉的軸承腔室，并引入清水進(jìn)行潤滑冷卻。注入水母管設(shè)置在泵筒體外側(cè)，由小直徑的支管為軸承供水。這個(gè)方案具有如下的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)原設(shè)計(jì)的改動(dòng)最小，對(duì)水泵的性能沒有影響;采用了成熟的材料和工藝;可以達(dá)到可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);可維修性高;所有涉及的機(jī)加工修改工作可在現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)有機(jī)加工條件下完成;沒有使用焊接方法，不會(huì)造成雙相不銹鋼耐腐蝕性能的下降。

2.1 浮環(huán)密封的優(yōu)點(diǎn)

壽命長;安裝、拆卸方便;浮環(huán)密封本身具有一定的泄漏量，有利于軸承散熱;結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

2.2 筒體外側(cè)布管的優(yōu)點(diǎn)

施工簡單;不影響廠用水泵的維修工藝;改造成本低;結(jié)構(gòu)緊湊，可靠。本改造對(duì)水泵的水力性能不產(chǎn)生影響。由于大量管件分布在泵筒體外部，不會(huì)對(duì)水泵的通流面積造成影響。

3 設(shè)計(jì)方案細(xì)化

3.1 浮環(huán)設(shè)計(jì)

浮環(huán)密封安裝在需要密封的軸承兩端，由新增加的壓蓋進(jìn)行固定，壓蓋由螺栓固定在軸承室的端面上。浮環(huán)在壓蓋中可以沿軸向和徑向自由運(yùn)動(dòng)。浮環(huán)內(nèi)徑與軸套之間為小間隙配合，泄漏量可以通過配合間隙的大小來控制。

3.2 軸承和軸承室的修改

為了保證軸承室內(nèi)注入水的均勻分布，需要對(duì)軸承室和AR軸承進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)修改。在軸承室的內(nèi)部中間位置，車削一個(gè)環(huán)形進(jìn)水溝槽，注入水支管與溝槽連通。在AR軸承的對(duì)應(yīng)高度位置開3-6個(gè)孔，保證進(jìn)水均勻。進(jìn)入軸承的冷卻水流量可以通過注水孔的數(shù)量和直徑來進(jìn)行控制。

3.3 首級(jí)、二級(jí)導(dǎo)流殼增加護(hù)套管

在每級(jí)導(dǎo)流殼和其上部的軸承支架之間安裝一個(gè)軸護(hù)套管，導(dǎo)流殼軸承室的下端面及上部軸承支架的上端面上各安裝一個(gè)浮環(huán)密封，清水從軸承支架的軸承室內(nèi)供入。

3.4 供水管線的布置

從安全性考慮，為盡可能保證供水系統(tǒng)的可靠性、降低風(fēng)險(xiǎn)，采取并聯(lián)供水的方式，采用1根供水母管通過各分水支管對(duì)每個(gè)徑向軸承單獨(dú)供水，確保冷卻水供給獨(dú)立性，并且可以簡化管道布置。

3.4.1 軸承潤滑冷卻水供水壓力、流量驗(yàn)證。

本論文從泵運(yùn)行與靜止?fàn)顟B(tài)兩方面出發(fā)，針對(duì)改造后的徑向軸承潤滑冷卻水的供水流量、壓力進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證以下兩種情況：在泵運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)的供水壓力能保證浮環(huán)密封泄漏量滿足軸承散熱要求;驗(yàn)證在泵靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，供水能充滿徑向軸承室及護(hù)套管，證明可安全啟泵。

3.4.2 軸承散熱所需冷卻水量及浮環(huán)密封壓力損失計(jì)算、供水壓力計(jì)算思路如下：

1）為保證設(shè)計(jì)供水壓力能使浮環(huán)密封泄漏量大于軸承散熱所需冷卻水量、證明軸承潤滑冷卻水改造方案能滿足軸承散熱要求，先計(jì)算出泵運(yùn)行時(shí)軸承最大散熱路徑所需冷卻水量;2）然后將該冷卻水量值作為浮環(huán)密封的最低泄漏量要求來計(jì)算浮環(huán)密封的壓力損失;3）將浮環(huán)密封壓力損失加上給軸承供水路徑上的沿程壓力損失和局部壓力損失，得出整個(gè)路徑壓力損失，再加上廠用水泵運(yùn)行時(shí)兩級(jí)葉輪出口處的海水壓力值，得出最低淡水供水（從IWS系統(tǒng)引工業(yè)淡水）壓力需求。通過流體力學(xué)公式計(jì)算，供水壓力0.74MPa以上能充分滿足軸承散熱要求、泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)軸承潤滑冷卻水的注入。

3.4.3泵靜止時(shí)（啟泵前）、供水可充滿徑向軸承腔室驗(yàn)證

浮環(huán)泄漏量計(jì)算：計(jì)算浮環(huán)泄漏量為117.284L/min。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取1.2倍泄漏量140.74L/min作為管道泵的設(shè)計(jì)流量;

供水母管流速計(jì)算：供水母管進(jìn)水流速計(jì)算可得V=1.87m/s（按DN40計(jì)算）;此時(shí)可滿足整個(gè)軸承冷卻水供水流量要求。

3.4.4 軸承供水源設(shè)計(jì)、管道泵選取

從IWS工業(yè)水管網(wǎng)DN150處引入一路DN40的工業(yè)水管路，其壓力為0.5MPa，設(shè)計(jì)引入管道泵加壓至1.2MPa左右，通過調(diào)壓閥管路減壓至所需壓力后（泵正常運(yùn)行時(shí)為0.74MPa），給廠用水泵徑向軸承供潤滑冷卻水。

選取管道泵時(shí)，要求泵的設(shè)計(jì)流量為140.74L/min，揚(yáng)程為0.7MPa（因IWS工業(yè)水系統(tǒng)過來的壓力為0.5MPa）。

4 結(jié)語

本論文提出廠用水泵徑向軸承存在過早磨損失效的可能問題及針對(duì)該問題的解決方案，從徑向軸承的磨損機(jī)理、改造方案選取、設(shè)計(jì)方案細(xì)化介紹、方案對(duì)水力性能、維修拆裝工藝性影響、方案壓力及流量計(jì)算分析了廠用水泵軸承潤滑冷卻水改造方案并證明了其可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計(jì)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

作者簡介：卿艷豐（1986.11-），男，湖南人，工程師，從事水泵維修方面的工作。