某核電站閉式冷卻水泵軸承潤滑問題分析

夏超，明飛翔，梁陽，楊洪亮，董志國

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319)

1 設(shè)備基本信息

國內(nèi)某核電站閉式冷卻水泵向核電站所有使用核級(jí)水質(zhì)的系統(tǒng)提供pH=9 的除鹽水進(jìn)行冷卻。每臺(tái)機(jī)組共有3臺(tái)冷卻水泵，各為50%容量的臥式離心泵[1]。冷卻水泵軸承體為箱型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為HT250，為泵軸提供旋轉(zhuǎn)支撐。

泵驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端使用的軸承均為SKF 6315軸承。泵兩端軸承室均為封閉式，無排脂孔設(shè)計(jì)，其他信息如下：

(1)補(bǔ)脂周期：12 周；補(bǔ)脂量：30 g；潤滑油牌號(hào)：MOBILUX EP3。

(2)軸承溫度≥80 ℃ 報(bào)警；≥90 ℃ 停泵。

2 問題描述

該電站一臺(tái)常規(guī)島閉式冷卻水泵驅(qū)動(dòng)端軸承在2016年4月至2017年7月長期處于70 ℃運(yùn)行，2017年7月執(zhí)行泵兩端軸承解體檢查工作，檢查過程中在驅(qū)動(dòng)端軸承室發(fā)現(xiàn)大量舊油脂，油脂發(fā)黑、變硬，滾動(dòng)體內(nèi)部分舊油老化變干，見圖1和圖2，軸承滾動(dòng)體無異常，更換新油脂后，設(shè)備運(yùn)行時(shí)軸承溫度無異常。

圖1 泵驅(qū)動(dòng)端軸承室端蓋

圖2 泵驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承室

該泵非驅(qū)側(cè)軸承于2018年6月23日、7月24日兩次異常波動(dòng)，最高上漲至接近72 ℃，再次解體非驅(qū)側(cè)軸承室檢查，同樣存在油脂積累過多情況。舊油老化變黑，且滾動(dòng)體內(nèi)部分舊油老化變干，潤滑效果下降。清理檢查軸承滾動(dòng)體無異常，更換新潤滑脂后，軸承狀態(tài)運(yùn)行正常，穩(wěn)定在45 ℃左右。

另外一臺(tái)閉式冷卻水泵的非驅(qū)側(cè)軸承溫度的監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示，多次出現(xiàn)溫度波動(dòng)情況，溫度從50 ℃最大波動(dòng)至接近70 ℃，后緩慢下降至50 ℃后穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 軸承溫度變化曲線

由于泵軸承溫度傳感器只能安裝在軸承座的外殼內(nèi), 依軸承座外殼內(nèi)某點(diǎn)的溫度間接估計(jì)軸承內(nèi)潤滑脂溫度[2-6]。因此軸承滾子接觸區(qū)實(shí)際溫度會(huì)高于探頭顯示溫度。當(dāng)軸承滾子接觸區(qū)潤滑脂溫度高于 100 ℃時(shí)，潤滑脂黏度會(huì)過低、潤滑性能劣化導(dǎo)致油膜破裂，滾子撞擊軸承造成損傷[7]。

3 閉式冷卻水泵軸承溫度問題原因分析

3.1 軸承油脂發(fā)黑變硬造成軸承溫度異常

從解體檢查的實(shí)際情況來看，軸承滾動(dòng)體內(nèi)的潤滑脂存在發(fā)黑變硬的現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)問題軸承清理舊油脂并更換新油脂后，設(shè)備軸承運(yùn)行溫度穩(wěn)定。

潤滑油減摩降磨的效果直接取決于潤滑油潤滑性的好壞，潤滑性也是潤滑油最基本的特性[8]。而軸承滾動(dòng)體內(nèi)的潤滑脂發(fā)黑變硬直接降低潤滑油的潤滑性，是軸承溫度異常的直接原因。

潤滑脂發(fā)黑變硬的原因又有以下幾方面：

(1)隨著潤滑脂填充量的增加，軸承的溫度呈直線上升，在相同的填充量下密封式軸承溫度上升高于開放式軸承[9]，所以潤滑脂填充量過大，運(yùn)行時(shí)發(fā)出的熱量難以散發(fā)，同時(shí)黏度較大的潤滑脂參與摩擦致使軸承發(fā)熱，溫升過高[10]，也會(huì)造成潤滑脂發(fā)黑變硬。

(2)灰塵、泥土、浮沉以及類似雜質(zhì)進(jìn)入潤滑脂會(huì)導(dǎo)致潤滑脂發(fā)黑變硬。

(3)軸承潤滑脂中的油從增稠劑中分離出來，產(chǎn)生硬塊狀物質(zhì)。不同潤滑脂之間的不相容也會(huì)導(dǎo)致潤滑脂膠體結(jié)構(gòu)遭到破壞加速分油進(jìn)而造成油脂失效。

(4)如果潤滑脂的使用周期過長也可能會(huì)造成潤滑脂發(fā)黑變硬，所以潤滑脂的使用周期不能過長，潤滑脂的一半基礎(chǔ)油流出時(shí)就必須更換潤滑脂。

(5)半徑大、轉(zhuǎn)速高的軸承產(chǎn)生高的離心力，或者軸承長期處于高振動(dòng)狀態(tài)，潤滑脂中油和增稠劑分離，也會(huì)導(dǎo)致潤滑脂變硬發(fā)黑。

3.2 加脂量及加脂周期的影響

設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)的潤滑要求為設(shè)備每運(yùn)行2個(gè)月加入潤滑脂30 g，潤滑脂型號(hào)為MOBILUX EP3(性能指標(biāo)見表1)。核電站維修程序上要求設(shè)備每間隔12周，需要加脂30 g，為了找出造成軸承溫度高和溫度波動(dòng)的原因，我們首先對(duì)軸承加脂量及加脂周期進(jìn)行分析。

3.2.1 計(jì)算潤滑脂的加脂量

G=0.005×D×B[11]

G=潤滑脂量/g

D=軸承外徑/mm

B=軸承寬度/mm

軸承如圖4所示。該泵驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端使用的軸承均為SFK6315軸承，根據(jù)軸承型號(hào)得知，D=160 mm，B=37 mm。

計(jì)算的加脂量G=0.005×37×160=29.6 g。

圖4 軸承示意

表1 EP系列潤滑脂性能指標(biāo)

3.2.2 計(jì)算加脂周期

由查圖表法，如圖5所示，可查出軸承的潤滑周期大概為8000 h，換算為天為333天。

圖5 加脂周期[11]

根據(jù)SKF軸承型錄，如圖6所示，軸承加脂周期計(jì)算方法：A·bf=n·dm·bf[12]；

A=n·dm(mm/min)；

bf：取決于軸承類型和載荷條件的載荷系數(shù)；

dm：軸承平均直徑；

n：轉(zhuǎn)數(shù)；

A·bf=n·dm·bf=1480×117.5×1=173900。

根據(jù)軸承型錄中軸承載荷與加脂周期關(guān)系如圖6所示，得出加脂周期為5800 h。

圖6 軸承載荷與加脂周期關(guān)系[12]

把該型號(hào)的軸承計(jì)算出的加脂量和加脂周期換算成和電廠設(shè)備一致的加脂周期12周，相應(yīng)的加脂量見表2。

表2 加脂量對(duì)比

從結(jié)果上看，同樣的潤滑周期電廠水泵軸承的加脂量遠(yuǎn)大于計(jì)算出的加脂量。根據(jù)潤滑失效的機(jī)制，由于加脂量過多也將導(dǎo)致軸承卡咬和工作溫度過高等問題。

參考電廠軸承的實(shí)際加脂量和計(jì)算加脂量以及軸承的實(shí)際運(yùn)行情況，電廠的技術(shù)組決策修改實(shí)際加脂量，把12周潤滑周期加脂量由30 g改為18 g。修改加脂量后該泵的軸承仍多次出現(xiàn)軸承溫度高、溫度波動(dòng)的問題，由此可見加脂量偏多并不是影響該設(shè)備軸承溫度偏高及溫度波動(dòng)的根本原因。

3.3 軸承室設(shè)計(jì)不合理的影響

合理的軸承室設(shè)計(jì)應(yīng)滿足新油脂進(jìn)入軸承室后能夠迅速進(jìn)入軸承滾道，替換軸承滾道內(nèi)的舊油脂，然后被替換下的舊油脂要排出軸承室。

潤滑脂在軸承接觸區(qū)內(nèi)存在兩種潤滑狀態(tài)[13]，一種為富脂潤滑: 即潤滑劑靠外力不斷泵送到載荷區(qū)入口, 滾動(dòng)體借助泵送壓力將大量的潤滑脂帶入接觸區(qū)從而形成良好的彈性流體潤滑膜；另一種為乏油潤滑: 即潤滑脂只是一次封存在軸承的內(nèi)部空間, 潤滑脂所特有的栓塞流動(dòng)特性使接觸區(qū)潤滑劑的供應(yīng)不充分, 形成的油膜為部分彈性流體潤滑膜[14]。此種閉式冷卻水泵在泵軸外側(cè)端軸承體部分的上方設(shè)置加油嘴，從加油嘴位置處定期注入潤滑脂。屬于富油脂狀態(tài)。

此閉式冷卻水泵的軸承在電站內(nèi)無定期解體檢查的工作，只有定期加油脂的工作。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝后在沒有故障出現(xiàn)的情況下未進(jìn)行過軸承的檢查工作，但卻一直定期向軸承室內(nèi)加潤滑脂。且軸承室設(shè)計(jì)缺少排脂孔，加油過程中舊潤滑脂無法排出，使軸承室成為密封式軸承。而密封式軸承相對(duì)于開放式軸承在潤滑方面存在一些不足：

(1)潤滑脂填充量愈多，摩擦轉(zhuǎn)矩愈大。同樣的填充量，密封式軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩大于開放式軸承[15]。且過量的潤滑脂容易出現(xiàn)漏失。

(2)隨潤滑脂填充量的增加，軸承溫升直線提高。同樣的填充量，密封式軸承的溫升又高于開放式軸承。

從實(shí)際拆檢的軸承室來看，注油孔的位置，如圖7所示，距離軸承位置偏遠(yuǎn)，在進(jìn)行軸承潤滑時(shí)，潤滑脂不能及時(shí)進(jìn)入軸承滾道，潤滑脂需要先把軸承室的空間填滿后，潤滑脂才能進(jìn)入軸承的滾道。

圖7 舊軸承室注油孔位置

相對(duì)于每次的加脂量，軸承室空間還是比較大的，新油脂需要補(bǔ)加很多次才能把軸承室填充滿，在這個(gè)過程中，軸承滾道內(nèi)的潤滑脂一直都是舊油脂，且沒有新潤滑脂進(jìn)入，雖然這個(gè)過程中一直都有加油脂的操作，但是這個(gè)過程中軸承實(shí)際處于缺少潤滑脂的狀態(tài)，因此在這個(gè)過程容易造成軸承溫度異常。但當(dāng)軸承室充滿新油脂后，新油脂開始進(jìn)入軸承滾道時(shí)，軸承滾道內(nèi)的潤滑脂已經(jīng)處于老化發(fā)黑階段，從現(xiàn)場(chǎng)解體的照片，如圖8所示，也可看出，軸承室內(nèi)充滿了發(fā)黑的潤滑脂。等新油脂進(jìn)入滾道時(shí)，新油脂和舊油脂同時(shí)處于滾道內(nèi)，同時(shí)疊加整個(gè)軸承室充滿潤滑脂。由于軸承室設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的潤滑脂過量、潤滑脂老化都是造成軸承溫度異常的原因。

圖8 泵兩端軸承室端蓋內(nèi)積累舊油脂

3.4 軸承溫度異常原因總結(jié)

綜合以上各種情況的分析可得知，造成軸承溫度異常的直接原因是軸承滾道內(nèi)的潤滑脂發(fā)黑變硬，隨著潤滑脂的發(fā)黑變硬，軸承摩擦加劇，造成軸承溫度升高異常，同時(shí)升高的溫度又加速了潤滑脂的發(fā)黑、變硬、老化變質(zhì)。而造成軸承溫度異常，潤滑脂發(fā)黑變硬的根本原因是軸承室設(shè)計(jì)不合理，加油嘴的位置不合理使得通過加油嘴向軸承注入的油脂不能及時(shí)進(jìn)入軸承滾道內(nèi)，使軸承早期處于缺少潤滑脂的狀態(tài)，而后期又因?yàn)檩S承室沒有排脂孔，使得軸承內(nèi)油脂堆積過多造成軸承摩擦阻力增大，軸承溫度升高，潤滑脂變質(zhì)最終導(dǎo)致軸承潤滑異常。

4 閉式冷卻水泵軸承潤滑問題的解決方案

針對(duì)該電廠閉式冷卻水泵的軸承體原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，造成軸承溫度異常的問題?，F(xiàn)給出的解決方案為：

(1)在軸承腔室位置新增排脂孔。

(2)加油孔位置更改到軸承內(nèi)側(cè)，同時(shí)將軸承室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

新的軸承室，如圖9和圖10所示，新軸承室設(shè)計(jì)使新加入的油脂直接加入到軸承滾動(dòng)體位置，軸承內(nèi)的舊油脂被新油脂擠壓出來，進(jìn)入軸承室，當(dāng)軸承室內(nèi)的舊油脂充滿后從排脂孔排出。此設(shè)計(jì)方案減小軸承體內(nèi)部滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦以及磨損，避免軸承處于欠潤滑和過潤滑狀態(tài)，避免了軸承溫度異常，保證了閉式冷卻水泵的可靠性。

此種軸承室改造方案在該核電站多臺(tái)常規(guī)島閉式冷卻水泵實(shí)施后，軸承潤滑情況得到很大的改善，溫度異常問題未再復(fù)現(xiàn)，改造效果良好。

圖9 新軸承室端蓋

圖10 新軸承室

5 結(jié)論

核電站軸承潤滑相關(guān)問題長期存在，需要不斷在實(shí)踐中探索，通過對(duì)潤滑脂選型、加脂量優(yōu)化、設(shè)備改造等措施的執(zhí)行，不斷優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的潤滑狀態(tài)，保障電站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。