RCV 上充泵油密封優(yōu)化改進(jìn)分析

田 濤，盧家良，陳錦裕，李 宏

（福建福清核電有限公司，福建福州 350318）

0 引言

某核電廠3/4 號(hào)機(jī)組設(shè)置3 臺(tái)上充泵，其中1 號(hào)泵為備用泵，在切泵時(shí)啟動(dòng)；2 號(hào)泵與3 號(hào)泵相互切換運(yùn)行。自運(yùn)行以來(lái)，3/4 號(hào)機(jī)組的2/3 號(hào)上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室頻繁出現(xiàn)油位低需緊急補(bǔ)油情況，4 臺(tái)泵的補(bǔ)油頻率約為1 周1 次，這對(duì)運(yùn)行與維修人員帶來(lái)了極大干擾。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)端軸承室的兩油封僅靠近機(jī)封側(cè)的油封存在漏油情況，靠近聯(lián)軸器側(cè)的油封則無(wú)此情況。

該核電廠3/4 號(hào)機(jī)組的6 臺(tái)上充泵均為RHM100型12 級(jí)臥式單吸離心泵，其驅(qū)動(dòng)端為徑向滾子軸承，采用稀油自潤(rùn)滑，油封為非接觸式迷宮密封。

1 油封

1.1 常用油封

軸承密封一般采取兩種形式的密封，即接觸式油封和非接觸式的迷宮密封。最常見(jiàn)的接觸式油封有唇形密封，其基本工作原理為：撓性密封元件（皮革、橡膠、聚四氟乙烯等）與旋轉(zhuǎn)軸形成過(guò)盈配合，油封唇部和軸之間的接觸面同時(shí)并存干摩擦、邊界潤(rùn)滑和流體潤(rùn)滑摩擦[1]。在干摩擦狀態(tài)下油封密封性最好，但油封唇的磨損嚴(yán)重；流體潤(rùn)滑摩擦下油封唇磨損最小，但泄漏量最大；在邊界潤(rùn)滑下，油封唇與軸之間形成一層穩(wěn)定的流體動(dòng)壓油膜，這層油膜除了起潤(rùn)滑作用外還具有密封作用，但對(duì)油膜的厚度要求極具苛刻，一般要求為0.002 5 mm，這也導(dǎo)致了該型號(hào)油封泄漏故障頻發(fā)。

該種接觸式唇形油封重量輕，耗材少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝腔體結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，容易加工制造，對(duì)設(shè)備的振動(dòng)和主軸的偏心都有一定的適應(yīng)性。該種油封在高速轉(zhuǎn)軸上使用時(shí)，密封唇易發(fā)熱，當(dāng)溫度超過(guò)密封唇的允許溫度時(shí)其密封效果將大大降低甚至失效，且無(wú)法使用于軸向存在熱脹冷縮的旋轉(zhuǎn)軸上。

非接觸式迷宮式密封廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)的軸封以及各種回轉(zhuǎn)機(jī)器的油封。其密封機(jī)理是軸與殼體之間，帶有若干個(gè)依次排列的小游隙的凹凸環(huán)形密封齒組合，密封齒與軸之間形成一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，飛濺的潤(rùn)滑油每通過(guò)一道密封齒，必將遇到很大的阻力，從而產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，使?jié)櫥瑒┑乃俣炔粩鄿p弱，減速后的潤(rùn)滑劑順著密封齒的內(nèi)側(cè)流淌到環(huán)形空腔的下部，然后通過(guò)到環(huán)形空腔下部的回油孔返回軸承室內(nèi)，達(dá)到防止?jié)櫥屯饴┑淖饔?。其主要結(jié)構(gòu)形式有直通型迷宮密封、參差型迷宮密封、復(fù)合型迷宮密封等[2]。

非接觸式迷宮密封的轉(zhuǎn)子和機(jī)殼間存在間隙，無(wú)固體接觸，允許有熱膨脹差存在，適應(yīng)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠；但該形式密封無(wú)防塵功能。

1.2 現(xiàn)用油封介紹

RHM100型號(hào)上充泵額定轉(zhuǎn)速為4657 r/min，驅(qū)動(dòng)端軸承處泵軸直徑600 mm，表面線速度為14.6 m/s。在該轉(zhuǎn)速下，接觸式唇形密封會(huì)因磨擦發(fā)熱無(wú)法滿足連續(xù)運(yùn)行一個(gè)解體周期的使用要求，且該上充泵泵軸在運(yùn)行時(shí)存在向驅(qū)動(dòng)端膨脹的趨勢(shì)。因此，該泵驅(qū)動(dòng)端軸承室選用了非接觸式的迷宮式油封，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由動(dòng)封與靜封兩個(gè)部件組成。動(dòng)封是在軸套上開(kāi)設(shè)節(jié)流槽形成，靜封安裝在軸承室端蓋上，設(shè)有1 道積油槽并開(kāi)設(shè)2 個(gè)回油孔。泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)隨軸承旋轉(zhuǎn)被甩起的潤(rùn)滑油沿軸套向外泄漏，經(jīng)過(guò)迷宮密封時(shí)被節(jié)流，最終匯集于積油槽，通過(guò)回油孔回流至軸承室內(nèi)。

圖1 現(xiàn)有迷宮密封結(jié)構(gòu)

2 缺陷成因

根據(jù)現(xiàn)有迷宮油封的結(jié)構(gòu)，列出可能導(dǎo)致漏油缺陷的原因：①迷宮密封的密封齒嚴(yán)重磨損或損壞；②軸承室油位偏高；③迷宮油封與軸的間隙偏大；④安裝時(shí)，油封回油孔的位置不正確或堵塞等；⑤油封設(shè)計(jì)缺陷。采用魚骨圖工具分析漏油缺陷的根本原因[3]，如圖2 所示。

圖2 充泵油封漏油缺陷魚骨圖分析

2.1 密封齒磨損因素分析

當(dāng)油封的密封齒發(fā)生磨損時(shí)，其節(jié)流效果大大降低，影響密封效果甚至失效?，F(xiàn)場(chǎng)將上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室解體檢查，軸套上的密封齒未見(jiàn)有磨損情況。故可排除密封齒磨損導(dǎo)致漏油的可能。

2.2 軸承室油位高因素分析

該上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室的油位有上限與下限油位。處于上限油位時(shí)液面距軸心48 mm，此時(shí)潤(rùn)滑油量為545 mL；處于下限油位時(shí)液面距軸心56 mm，此時(shí)潤(rùn)滑油量為476 mL。油封的動(dòng)封外徑為76.8 mm，靜封孔徑為77.1 mm；當(dāng)油位處于上限位時(shí)，液面距密封間隙處距離為9.45 mm，靜止?fàn)顟B(tài)下的潤(rùn)滑油不會(huì)直接沿密封間隙滲漏。另檢查上充泵緊急補(bǔ)油工單發(fā)現(xiàn)1 號(hào)泵（只在切泵時(shí)作為備用泵啟動(dòng)，其余時(shí)間為停運(yùn)）未出現(xiàn)過(guò)緊急補(bǔ)油情況，說(shuō)明上充泵在停運(yùn)時(shí)無(wú)泄漏。

通過(guò)以上兩點(diǎn)可以排除因油位高導(dǎo)致漏油的可能。

2.3 密封間隙過(guò)大因素分析

該上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室油封的動(dòng)靜封尺寸，動(dòng)封77.1 mm，靜封76.8 mm，配合間隙（單邊）0.15 mm；迷宮密封間隙一般取值0.25～0.5 mm，而該上充泵迷宮間隙為0.15 mm，其密封效果更佳。

故可排除因迷宮密封間隙過(guò)大導(dǎo)致漏油的可能。

2.4 回油孔位置安裝錯(cuò)誤或回油孔堵塞因素分析

迷宮油封的回油孔正確安裝位置應(yīng)是回油孔處于6 點(diǎn)鐘方向，此時(shí)能保證積油槽內(nèi)的潤(rùn)滑油在最低點(diǎn)流回軸承室內(nèi)。若回油孔堵塞，潤(rùn)滑油無(wú)法回流至軸承室，則會(huì)沿密封間隙外漏。

現(xiàn)場(chǎng)解體軸承室檢查未見(jiàn)回油孔位置安裝錯(cuò)誤以及堵塞情況。因此可排除由此導(dǎo)致潤(rùn)滑油泄漏的可能。

2.5 油封設(shè)計(jì)缺陷因素分析

該上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室的兩油封與軸承的距離不同，機(jī)封側(cè)油封與軸承的距離為9 mm，聯(lián)軸器側(cè)油封與軸承的距離為20 mm。當(dāng)軸承距離油封很近時(shí)，由于軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，使油獲得一定能量而飛濺到密封間隙位置，這種能量將轉(zhuǎn)化為壓力，會(huì)促進(jìn)潤(rùn)滑油外漏。由于該上充泵所使用油封的節(jié)流槽開(kāi)設(shè)于轉(zhuǎn)動(dòng)的軸套上，當(dāng)泵高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)促進(jìn)潤(rùn)滑油沿軸套向外流動(dòng)。兩個(gè)因素疊加致使靠近機(jī)封側(cè)的油封發(fā)生漏油。而靠近聯(lián)軸器的油封距軸承較遠(yuǎn)，飛濺的潤(rùn)滑油在到達(dá)密封間隙時(shí)已回落至軸承室，油封能夠起到正常的密封作用。

3 油封優(yōu)化方案

為解決上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室漏油缺陷，提高關(guān)鍵敏感設(shè)備可靠性，降低人員進(jìn)入輻射控制區(qū)頻率，減少消缺成本，需對(duì)上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室油封進(jìn)行優(yōu)化以解決漏油缺陷。優(yōu)化方案考慮了兩個(gè)方面的問(wèn)題：①優(yōu)化方案簡(jiǎn)單易實(shí)施，對(duì)于泵本體的改動(dòng)盡可能的少；②能夠保證密封性，減少潤(rùn)滑油的泄漏量。

基于以上兩點(diǎn)，對(duì)上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室的油封進(jìn)行如下優(yōu)化：取消原軸套上的節(jié)流密封槽，在原靜封上開(kāi)設(shè)節(jié)流密封槽，并設(shè)置回油孔。以上改動(dòng)均以原密封尺寸為基準(zhǔn)，對(duì)泵本體結(jié)構(gòu)無(wú)改動(dòng)。改進(jìn)后的油封效果如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后的油封效果

將改進(jìn)后的油封放置于同型號(hào)的上充泵上進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。啟泵后經(jīng)歷20 h 的連續(xù)運(yùn)行，期間泵啟停次數(shù)為10 次，檢查驅(qū)動(dòng)端軸承室漏油量為4 滴。驅(qū)動(dòng)端軸承室的上限油位與下限油位之間潤(rùn)滑油容積為69 mL。驅(qū)動(dòng)端軸承所用潤(rùn)滑油為美孚DTE 中級(jí)VG46 礦物油，測(cè)量1 mL 該牌號(hào)潤(rùn)滑油大約為10滴。按照實(shí)驗(yàn)時(shí)的泄漏率計(jì)算，69 mL 潤(rùn)滑油能夠滿足連續(xù)運(yùn)行3400 h。對(duì)改進(jìn)后的油封進(jìn)行3 次可靠性驗(yàn)證，其泄漏率基本一致，因此認(rèn)為改進(jìn)后的油封可以滿足現(xiàn)場(chǎng)上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室的密封要求。

4 結(jié)論與建議

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查分析，確定RHM100型號(hào)上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承室靠近機(jī)封側(cè)油封漏油的根本原因，并將原有油封進(jìn)行改型優(yōu)化，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，新型油封的密封性能能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

對(duì)于軸承室的油封設(shè)計(jì)應(yīng)考慮油封與軸承的距離，保證潤(rùn)滑油不會(huì)直接甩至密封間隙處而引起泄漏。