核電站主給水泵出力下降原因分析及處理

方吉贏，趙正興

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 過程概述

2020 年9 月15 日，秦一廠3#主給水泵運(yùn)行期間出力突然下降，停泵后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)3#主給水前置泵聯(lián)軸器電機(jī)側(cè)螺栓全部斷裂，對聯(lián)軸器進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，泵側(cè)齒套組基本完好，腔體內(nèi)有濕潤油脂，電機(jī)側(cè)齒套組（損壞側(cè)）的外齒磨損嚴(yán)重，并有不規(guī)則變形，部分齒面向一側(cè)變形偏移，內(nèi)齒也有輕微磨損，并且該側(cè)油脂已干涸，在齒間形成較厚油泥。

2 設(shè)備簡介

秦一廠主給水泵是單級雙吸離心泵，給水泵組主要由主給水泵、前置泵、增速齒輪箱、電機(jī)組成，主給水泵電機(jī)輸出功率3200 kW，泵的軸功率為449 kW，電機(jī)的一端直接驅(qū)動前置泵運(yùn)轉(zhuǎn)，另一端則通過增速齒輪箱驅(qū)動主給水泵。其作用為將除氧器中的合格除氧水升壓后輸送至蒸汽發(fā)生器[1]。當(dāng)3#主給水泵檢修期間，若1#、2#主給水泵繼續(xù)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致主給水流量不足，存在機(jī)組降低功率或停機(jī)、停堆的風(fēng)險(xiǎn)。

3 原因分析

3.1 事件經(jīng)過

2020 年9 月15 日，秦一廠主控發(fā)蒸汽發(fā)生器A/B 低液位偏差報(bào)警，蒸汽發(fā)生器A/B 窄量程液位持續(xù)下降。檢查發(fā)現(xiàn)3#主給水泵出力下降，運(yùn)行電流由296 A 下降至最低約170 A，主給水母管壓力由7.5 MPa 下降至至7.05 MPa。初步判斷3#主給水泵出力異常，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)—主給水前置泵聯(lián)軸器（電機(jī)側(cè)）10 顆六角鉸制孔用螺栓全部斷裂，現(xiàn)場有聯(lián)軸器錯位、螺栓斷裂情況（圖1、圖2）。

圖2 螺栓斷裂

主給水前置泵聯(lián)軸器為雙齒套聯(lián)軸器，即整套聯(lián)軸器分為泵側(cè)齒套組和電機(jī)側(cè)齒套組。其作用為傳遞主給水泵電機(jī)的扭矩給主給水前置泵，扭矩的傳遞順序?yàn)椋弘姍C(jī)軸聯(lián)軸器→電機(jī)側(cè)齒套→六角鉸制孔用螺栓→中間套→六角帶鉸制孔用螺栓→泵側(cè)齒套→泵側(cè)半聯(lián)軸器。斷裂螺栓為六角鉸制孔用螺栓，螺栓斷裂后電機(jī)扭矩?zé)o法傳遞，導(dǎo)致主給水前置泵出力下降，進(jìn)而導(dǎo)致主給水泵出力下降。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)2019 年9 月更換了整套聯(lián)軸器，回裝過程中對中等數(shù)據(jù)合格，修后試驗(yàn)后啟機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)自由端冒煙，修后試驗(yàn)合格后3#主給水泵保持運(yùn)行直至2020 年8 月機(jī)組小修正常停機(jī)，小修結(jié)束后3#主給水前置泵啟機(jī)運(yùn)行，小修結(jié)束后運(yùn)行至2020 年9 月15 日發(fā)生前置泵聯(lián)軸器螺栓斷裂缺陷，期間共經(jīng)歷3 次設(shè)備啟停。

3.2 斷裂位置分析

從宏觀形貌上看，螺栓均斷裂在光桿位置，且8 根螺栓的斷裂位置基本一致，經(jīng)測量比對，斷裂位置正好在聯(lián)軸器法蘭面的接縫位置（圖4），各螺栓的頭部尺寸和光桿直徑測量結(jié)果見表1。斷裂后的螺栓頭部長約33 mm，光桿直徑約11 mm。

表1 斷裂螺栓頭部尺寸統(tǒng)計(jì)

3.3 端口掃描電鏡分析

螺栓頭斷口在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，裂紋均起源于邊緣，斷面中心平整，未觀察到明顯內(nèi)部缺陷，部分螺栓瞬斷區(qū)可觀察到韌窩結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)解理、準(zhǔn)解理和沿晶開裂形貌特征，具體的微觀形貌螺栓斷口A 區(qū)裂紋源區(qū)、B區(qū)疲勞條帶見圖4 和圖5。

圖3 斷裂螺栓整體形貌

圖4 螺栓斷口A 區(qū)裂紋源區(qū)

圖5 螺栓斷口B 區(qū)疲勞條帶

3.4 螺栓受力分析

3.4.1 正常工況下的剪切強(qiáng)度

根據(jù)該聯(lián)軸器的技術(shù)要求，轉(zhuǎn)速為1500 r/min，功率≤500 kW（實(shí)際泵的軸功率為449 kW，此處按聯(lián)軸器的最大傳遞功率500 kW 計(jì)算），以此計(jì)算螺栓的受力情況，電機(jī)軸輸出給前置泵的扭矩M軸=P軸×60÷2πn。其中，為M軸為電機(jī)軸扭矩，P軸為電機(jī)輸出給前置泵的軸功率，n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)計(jì)算M軸=500×103×60÷2π×1500=3185 N·m。

電機(jī)通過聯(lián)軸器上的10 根直徑為10 mm 的螺栓將力矩傳遞到前置泵。根據(jù)圖紙可知，螺栓安裝孔半徑r 為53 mm，由此可以計(jì)算平均到每個螺栓上的剪切力F。

將螺栓參數(shù)代入，求得剪切應(yīng)力τ=77 MPa。其中，10.9 級螺栓抗拉強(qiáng)度Rm為1268 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2取0.9Rm，則Rp0.2=1141.2 MPa。

前置泵正常運(yùn)行時，單個螺栓受到的剪應(yīng)力為77 MPa，動載荷條件下屈服強(qiáng)度最大的安全系數(shù)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)取5，則[τ]=Rp0.2/0.5[2]=1141.2/5=228 MPa。

單個螺栓的剪切應(yīng)力τ 為77MPa，小于許用剪切應(yīng)力[τ]=228 MPa，該螺栓滿足使用要求。

3.4.2 異常工況下的剪切強(qiáng)度

由于在運(yùn)行期間曾出現(xiàn)3#主給水前置泵自由端卡澀并冒煙的情況，這將導(dǎo)致前置泵扭矩增大，極端情況下會出現(xiàn)前置泵卡死，此時前置泵將承受電機(jī)的全部扭矩。根據(jù)泵設(shè)計(jì)手冊可知，該電機(jī)額定輸出功率為3200 kW，采用3.4.1 的方法計(jì)算得到單根螺栓的平均剪切應(yīng)力τ=492.8 MPa，靜載條件下安全系數(shù)取2.5 則許用剪切強(qiáng)度[τ]=1141.2/2.5=456 MPa。故單根螺栓的平均剪切應(yīng)力值為492.8 MPa，大于最大許用剪切強(qiáng)度值456 MPa，但小于實(shí)測的剪切強(qiáng)度值751.2 MPa。

4 事件原因

根據(jù)時序分析，2019 年10 月3#主給水前置泵自由端擋環(huán)處卡澀冒煙，導(dǎo)致聯(lián)軸器電機(jī)側(cè)螺栓超負(fù)荷運(yùn)行，這導(dǎo)致前置泵扭矩增大，極端情況下會出現(xiàn)前置泵卡死，此時前置泵將承受電機(jī)的全部扭矩。根據(jù)該電機(jī)額定輸出功率為3200 kW，同上文算得剪切應(yīng)力τ=492.8 MPa，大于許用剪切強(qiáng)度[τ]=1141.2/2.5(靜載條件下安全系數(shù)取2.5）=456 MPa，會導(dǎo)致螺栓被剪斷。雖然3#主給水前置泵實(shí)際并未發(fā)生卡死，正常情況下主給水泵機(jī)組的啟停對聯(lián)軸器螺栓無影響，不存在主給水泵機(jī)組運(yùn)行過程導(dǎo)致的故障。但卡澀冒煙的異常工況下該螺栓承受的平均剪切應(yīng)力值最大瞬時可達(dá)到492.8 MPa，超過了其許用剪切應(yīng)力值456 MPa，但仍小于實(shí)測得的剪切強(qiáng)度值751.2 MPa，過載會在聯(lián)軸器電機(jī)側(cè)螺栓光桿表面萌生裂紋，當(dāng)聯(lián)軸器螺栓已經(jīng)出現(xiàn)裂紋時，多次的啟停會加劇裂紋的擴(kuò)展，同時在后續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，3#主給水前置泵聯(lián)軸器電機(jī)側(cè)的螺栓受到周期性的載荷作用，裂紋會不斷產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓某個螺栓斷裂。某個螺栓斷裂后，聯(lián)軸器螺栓力矩不一致、每個螺栓受力不均勻即會使齒套的齒輪發(fā)生偏心、偏磨、發(fā)熱，使油脂干涸，而這又加快其他螺栓斷裂的進(jìn)程，螺栓斷口局部可見裂紋起裂和疲勞擴(kuò)展的典型特征可以佐證。

5 結(jié)論與建議

綜上，3#主給水前置泵聯(lián)軸器電機(jī)側(cè)螺栓材料化學(xué)成分、硬度、金相組織、非金屬夾雜物以及各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。螺栓是因?yàn)樵诋惓９r下受到過大載荷導(dǎo)致在光桿表面起裂，萌生裂紋，在后續(xù)泵啟停過程中裂紋擴(kuò)展，而在泵運(yùn)行過程中，裂紋在周期性載荷以及聯(lián)軸器螺栓力矩不一致、每個螺栓受力不均勻即會使齒套的齒輪發(fā)生偏心的作用下不斷發(fā)生疲勞擴(kuò)展，直至最終斷裂。因此建議：

（1）盡量避免主給水前置泵在異常工況下運(yùn)行，尤其要注意避免卡死的情況發(fā)生。

（2）在主給水前置泵解體維修時，通過磁粉或滲透檢驗(yàn)加強(qiáng)對聯(lián)軸器螺栓的檢查并注意記錄螺栓安裝過程及檢查的結(jié)果。

（3）對于承受交變載荷作用的零部件，當(dāng)交變載荷低于材料的疲勞極限時，如果零件表面光滑無缺陷，疲勞裂紋源難以形成，不可能發(fā)生疲勞斷裂。但當(dāng)零件表面存在缺陷時，裂紋源即在缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中作用下形成。一旦產(chǎn)生裂紋源，在交變載荷作用下裂紋源極容易擴(kuò)展，導(dǎo)致零部件開裂[3]。