核電廠主泵電機(jī)軸承組件結(jié)構(gòu)及維修探討

□付 勇 白 川 陳 淼 孫 杰 李國才 侯志華

一、概述

反應(yīng)堆冷卻劑泵(以下簡(jiǎn)稱“主泵”)是核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，用于驅(qū)動(dòng)高溫高壓冷卻劑以大流量通過堆芯，把堆芯中產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器，使堆芯內(nèi)燃料組件充分傳熱，確保燃料組件的安全，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)為立式、鼠籠三相感應(yīng)式交流電機(jī)。某核電廠主泵及電機(jī)是典型的三軸承主泵(泵水導(dǎo)軸承組件、電機(jī)下部軸承組件、電機(jī)上部軸承組件)，電機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 主泵電機(jī)參數(shù)表

電機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括：定子組件、轉(zhuǎn)子組件(軸、飛輪等)、油冷器、空冷器、軸承組件和頂軸油系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)見圖1。電機(jī)使用環(huán)氧樹脂絕緣的防滴式鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由空氣/水換熱器來冷卻通風(fēng)空氣?？拷妱?dòng)機(jī)的頂部是自調(diào)徑向上導(dǎo)軸承，飛輪，防反轉(zhuǎn)裝置，雙向作用止推軸承。在止推軸承推力頭外緣安裝粘度泵把潤滑油輸送通過油冷卻器循環(huán)潤滑油潤滑冷卻上部軸承。電機(jī)啟動(dòng)之前，先啟動(dòng)頂軸油系統(tǒng)使推力軸瓦和上導(dǎo)軸瓦建立油膜。

圖1 主泵電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

主泵電機(jī)為電廠關(guān)鍵敏感設(shè)備，如果發(fā)生故障可能直接導(dǎo)致停機(jī)停堆，甚至影響核安全，因此對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)的研究十分必要，這些基礎(chǔ)研究可用于電廠運(yùn)行維修人員作為技術(shù)指導(dǎo)，保障主泵電機(jī)處于良好工作狀態(tài)，而主泵電機(jī)的關(guān)鍵部件是軸承組件。

二、軸承組件的結(jié)構(gòu)

主泵電機(jī)軸承由下部導(dǎo)向軸承和上部軸承組件構(gòu)成，承受轉(zhuǎn)子組件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸向力和徑向力，保證主泵穩(wěn)定運(yùn)行。

(一)下部導(dǎo)向軸承。下部導(dǎo)向軸承(圖2)由7塊表面為巴氏合金可傾軸瓦組成，每塊軸瓦通過定位螺栓和鎖緊板定位。主泵電機(jī)下導(dǎo)軸承屬于流體動(dòng)力潤滑軸承，即泵軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將潤滑油以一定的流速帶入軸瓦與軸之間的間隙形成具有一定壓力的油膜以支撐轉(zhuǎn)子徑向載荷，不需提供獨(dú)立的注油系統(tǒng)，下導(dǎo)軸承與軸瓦間隙為0.006”～0.008”。整個(gè)下部導(dǎo)向軸承組件安裝在下部油箱中，油箱內(nèi)安裝有油冷卻器盤管，盤管中供一定流量的設(shè)備冷卻水。軸瓦有上下?lián)醢澹拖渑c軸的配合處均設(shè)計(jì)有迷宮密封，防止?jié)櫥托孤?。在油箱外部安裝有油位計(jì)和油位開關(guān)。

圖2 下部導(dǎo)向軸承結(jié)構(gòu)圖

(二)上部軸承組件。上部軸承組件(圖3)由上部導(dǎo)向軸承、上推力軸承、下推力軸承組成。上、下推力軸承各8塊Kingsburry軸承，上、下推力瓦與裝配在泵軸上的推力盤作用，可承受向上或向下的推力載荷。當(dāng)系統(tǒng)壓力較低時(shí)，轉(zhuǎn)子組件的重量作用在下推力瓦上，此時(shí)下推力瓦承受推力載荷，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高并逐漸到達(dá)正常運(yùn)行壓力(15.5Mpa)時(shí)，轉(zhuǎn)子組件在系統(tǒng)壓力作用下上移，此時(shí)上部推力瓦承受推力載荷。

圖3 上部軸承組件結(jié)構(gòu)圖

推力軸承為Kingsbury可傾瓦流體動(dòng)壓潤滑軸承(即由摩擦表面的集合形狀和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助粘性流體的動(dòng)力學(xué)作用，產(chǎn)生潤滑膜壓力，平衡外載荷)，其潤滑機(jī)理如圖4所示。軸瓦可繞樞軸在圓周方向和徑向擺動(dòng),軸承承受油膜運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)力時(shí)產(chǎn)生傾斜,在軸瓦與推力盤之間形成一個(gè)楔形流道,粘性潤滑油流經(jīng)楔形流道產(chǎn)生油膜壓力,油膜壓力將推力盤上承受的載荷傳輸?shù)捷S瓦上。

圖4 油膜形成原理

Kingsbury軸承的特殊結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)載荷的自平衡，如圖5所示，軸瓦可繞樞軸及樞軸銷發(fā)生傾斜，8塊軸瓦可產(chǎn)生類似波浪形的輕微起伏運(yùn)動(dòng)。而通過油膜傳遞到軸瓦上載荷與油膜厚度成反比，當(dāng)某塊軸瓦載荷過大時(shí)，其下部的平衡塊位置下降使油膜厚度增加承載力降低，同時(shí)抬升相鄰的平衡塊和軸瓦，使相鄰軸瓦油膜厚度減小承載力增大，通過平衡塊之間的相互作用，使相鄰軸瓦上均勻承受推力載荷。

圖5 推力軸承結(jié)構(gòu)圖

為保證上、下推力軸承均能良好的承受軸向載荷并將熱量傳遞出去，需設(shè)置合理的軸向間隙(End Play)。軸向間隙即推力頭在上下推力瓦之間可移動(dòng)間隙，如果軸向間隙過小，功率損失增大，熱量無法有效傳遞出去可能導(dǎo)致軸瓦溫度高；如果軸向間隙過大，非承載側(cè)軸瓦與推力頭之間距離大，當(dāng)軸向力方向變化時(shí)無法建立油膜壓力，將導(dǎo)致非承載側(cè)軸瓦顫動(dòng)而損壞。該型號(hào)主泵電機(jī)軸向間隙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為0.33～0.43mm。

與下部導(dǎo)向軸承一樣，上部導(dǎo)向軸承包括7塊油潤滑的可傾瓦，每塊軸瓦通過定位螺栓和鎖緊板定位。但是上部導(dǎo)向軸承屬于流體靜力潤滑軸承，軸瓦與軸間隙較小(0.004”～0.006”)，無法實(shí)現(xiàn)自潤滑，需提供獨(dú)立注油系統(tǒng)。主泵電機(jī)通過粘度泵的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該功能，潤滑油通過推力瓦后，通過粘度泵作用，大部分油去油冷器冷卻，小部分經(jīng)過供油管輸送到上導(dǎo)軸承室，供上導(dǎo)軸瓦潤滑。

綜上所述，推力軸承的軸向間隙和上下導(dǎo)軸承的徑向間隙為軸承組件的關(guān)鍵參數(shù)，如果設(shè)置不合理將導(dǎo)致軸承溫度高或損壞等重大缺陷，在檢修過程中需重點(diǎn)關(guān)注。

三、常見故障分析及解決方法

(一)下部導(dǎo)向軸承故障。下導(dǎo)軸承常見故障為主泵運(yùn)行期間軸瓦溫度高。正常熱態(tài)運(yùn)行時(shí)下導(dǎo)軸瓦的設(shè)計(jì)溫度為77℃，但是在某種情況下軸瓦溫度可能到達(dá)報(bào)警值為88℃，一般可能有兩大類原因。

1.外部原因引起的故障及解決方法。下油箱油位過高或過低、潤滑油冷卻器的冷卻水溫度過高、冷卻水流量過低或過高、潤滑油油質(zhì)變壞。這些因素都可能降低軸瓦與潤滑油的傳熱效率，導(dǎo)致軸瓦溫度升高。解決方法是對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證各參數(shù)在正常范圍內(nèi)，提高軸瓦與潤滑油的換熱效率。

2.軸承本身故障及解決方法。當(dāng)軸瓦與軸之間間隙小于規(guī)定范圍(0.006”～0008”)時(shí)可能導(dǎo)致軸瓦溫度過高，這是因?yàn)殚g隙變小時(shí)泵旋轉(zhuǎn)過程中帶入軸瓦與軸之間的潤滑油流量減小，此時(shí)軸瓦不能得到充分冷卻，溫度升高；解決方法是調(diào)整軸瓦與軸間隙至規(guī)定范圍。另外當(dāng)瓦塊磨損不均，瓦塊中間存在高點(diǎn)時(shí)也會(huì)影響潤滑油的冷卻效果，導(dǎo)致軸瓦溫度升高；此時(shí)應(yīng)進(jìn)行刮瓦處理，修刮瓦塊進(jìn)油邊緣區(qū)域使其能形成較厚油楔，同時(shí)修刮出油邊緣區(qū)域，使冷卻和潤滑瓦塊的油流動(dòng)暢通，并刮掉瓦中間的亮點(diǎn)運(yùn)行磨損痕跡，確保光滑過渡。

此外，下部軸承軸頸材質(zhì)為碳鋼(ASTM A470)，機(jī)組大修期間(尤其雨季)如果正式加熱器及通風(fēng)系統(tǒng)停運(yùn)，冷凝水在軸頸表面凝結(jié)與表面殘留的潤滑油混合并附著在軸頸表面，長時(shí)間后對(duì)軸頸表面形成腐蝕，影響軸瓦油膜正常形成，處理該問題措施為：大修期間對(duì)電機(jī)軸上裸露無油漆部位(聯(lián)軸器、下軸承迷宮密封位置)噴涂防銹劑。檢修期間及時(shí)投運(yùn)臨時(shí)電加熱器避免冷凝水產(chǎn)生。

(二)上部軸承組件故障。上部軸承組件僅在電機(jī)全面解體時(shí)檢查處理，因此年度檢查時(shí)需檢查頂軸油系統(tǒng)(頂軸油壓力、頂升量、更換過濾器)、盤車力矩等項(xiàng)目，各項(xiàng)數(shù)據(jù)合格表明上部軸承組件基本工作正常。電機(jī)解體時(shí)需測(cè)量轉(zhuǎn)子組件的推力間隙，若推力間隙偏小表明推力瓦與推力盤之間可能有雜質(zhì)；若推力間隙偏大表明推力瓦磨損偏大，根據(jù)檢修結(jié)果決定是否需對(duì)推力瓦進(jìn)行更換。為保證8塊推力瓦均勻承受推力載荷，必須保證8個(gè)位置對(duì)應(yīng)的推力瓦與調(diào)皮墊的總高度都一樣，如果需更換其中一個(gè)零件，建議整套一起更換。

四、結(jié)語

本文通過對(duì)主泵電機(jī)上部和下部軸承組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，討論了上下軸承組件的常見故障解決方法，對(duì)運(yùn)行維修人員熟悉主泵電機(jī)提供指導(dǎo)，可以為相似結(jié)構(gòu)的電機(jī)軸承組件檢修維護(hù)提供參考。