某核電站密封油系統(tǒng)三螺桿泵汽蝕的原因分析和處理

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319)

0 引言

某核電站發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)的作用是為發(fā)電機(jī)密封瓦提供連續(xù)的密封油，以保證發(fā)電機(jī)的氣密性，防止發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣外漏。紅沿河發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)采用的是單流環(huán)結(jié)構(gòu)，密封瓦的氫側(cè)回油回到真空油箱后，通過(guò)真空油箱下游的密封油泵重新回到密封瓦中。密封油泵的作用為，將真空油箱中的潤(rùn)滑油吸出，通過(guò)出口的安全三通閥，一部分循環(huán)回到入口的真空油箱，進(jìn)行除氣處理；另一部分送到發(fā)電機(jī)的密封瓦，以便提供穩(wěn)定的密封油，防止氫氣外泄。

密封油泵的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其為三螺桿泵，相關(guān)參數(shù)如表1。

圖1 密封油泵結(jié)構(gòu)圖

表1 密封油泵參數(shù)

1 問(wèn)題描述

某核電密封油系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)長(zhǎng)期存在密封油泵及出口安全閥產(chǎn)生較大異音，且振動(dòng)較大的問(wèn)題。當(dāng)螺桿泵有異常振動(dòng)和噪聲后，其作為振動(dòng)源激勵(lì)系統(tǒng)基礎(chǔ)和相連的管路系統(tǒng)，通過(guò)相連設(shè)備傳遞到系統(tǒng)下游，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作條件的惡化，甚至對(duì)設(shè)備造成損害。

異音及振動(dòng)的產(chǎn)生有較大的隨機(jī)性及不確定性。主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)1號(hào)機(jī)組至調(diào)試以來(lái)從未發(fā)生過(guò)該問(wèn)題；2號(hào)機(jī)啟動(dòng)初期也未發(fā)生過(guò)該問(wèn)題，運(yùn)行一段時(shí)間后才發(fā)生該問(wèn)題；3號(hào)機(jī)至調(diào)試開始即出現(xiàn)較為嚴(yán)重的螺桿泵振動(dòng)和異音增大的問(wèn)題。2)異音及振動(dòng)隨著機(jī)組狀態(tài)的變化也在發(fā)生變化。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到1500 rpm運(yùn)行時(shí)，異音較大；當(dāng)汽機(jī)在低轉(zhuǎn)速或者0轉(zhuǎn)速時(shí)，異音發(fā)生過(guò)消失的現(xiàn)象，但有時(shí)也存在異音。3)當(dāng)2號(hào)機(jī)該缺陷處理好后，將相關(guān)的措施實(shí)施到3號(hào)機(jī)后，異音仍然存在。

通過(guò)以上現(xiàn)象可以認(rèn)為，導(dǎo)致該問(wèn)題的產(chǎn)生是一系列原因造成的，并非一個(gè)單獨(dú)的因素造成螺桿泵產(chǎn)生這種較大的振動(dòng)和異音問(wèn)題。

2 原因調(diào)查及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，密封油泵在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的異音及振動(dòng)，同時(shí)其出口安全閥也同步產(chǎn)生較大的異音和振動(dòng)，無(wú)法準(zhǔn)確的判斷是由泵體內(nèi)部產(chǎn)生還是出口安全閥產(chǎn)生。

通過(guò)分析認(rèn)為產(chǎn)生振動(dòng)及異音的來(lái)源可能如下：出口安全閥頻繁動(dòng)作、密封油泵損壞、密封油泵及管線松動(dòng)、密封油泵汽蝕、真空箱氣泡/密封泵出口壓力整定異常，并逐一進(jìn)行了排查。

2.1 出口安全閥頻繁動(dòng)作

出口安全閥的作用為，防止密封油泵超壓，維持系統(tǒng)穩(wěn)定的壓力，并將密封油泵出口的大量潤(rùn)滑油回流至入口真空箱中，通過(guò)內(nèi)部噴嘴將潤(rùn)滑油霧化，以達(dá)到除氣的作用。

出口安全閥的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，通過(guò)閥芯背部的彈簧整定泵出口的壓力。如果閥門發(fā)生故障，閥門閥芯頻繁動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及異音。且出口安全閥安裝在密封油泵出口，如果出口安全閥發(fā)生振動(dòng)，會(huì)作為振源帶動(dòng)密封油泵振動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)出口安全閥及密封油泵均存在較大的振動(dòng)。

遂對(duì)閥門進(jìn)行了更換，并對(duì)舊的閥門進(jìn)行解體檢查，解體的閥門閥芯密封線正常，彈簧性能正常，未見(jiàn)可能導(dǎo)致較大異音及振動(dòng)的缺陷。且更換新的閥門后仍存在較大的振動(dòng)及異音。說(shuō)明閥門故障可以排除。

圖2 出口安全閥結(jié)構(gòu)圖

2.2 密封油泵損壞

密封油泵較大的振動(dòng)及異音可能由泵的損壞導(dǎo)致，在機(jī)組大修期間，對(duì)密封油泵進(jìn)行了解體全檢，解體后檢查密封油泵泵腔和螺桿無(wú)任何機(jī)械損傷。泵體情況良好，未見(jiàn)任何異常。如果由于泵本身的損壞導(dǎo)致，振動(dòng)及異音將隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸惡化，但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，未有該現(xiàn)象。密封油泵損壞導(dǎo)致該問(wèn)題發(fā)生的可能性較小。

2.3 密封油泵及管線松動(dòng)

如果密封油泵及其管線松動(dòng)也會(huì)造成密封油泵及其管線發(fā)生較大的振動(dòng)。對(duì)密封油泵及管線進(jìn)行了排查，地腳螺栓及緊固件均未見(jiàn)異常，無(wú)松動(dòng)的部件。

且2、3號(hào)機(jī)均存在較大的振動(dòng)及異音，屬于共性缺陷，2臺(tái)機(jī)組均發(fā)生管線松動(dòng)的可能性極小。

2.4 密封油泵汽蝕

密封油泵內(nèi)部傳輸?shù)慕橘|(zhì)為ISO VG 46潤(rùn)滑油，粘度較高，屬于高粘度介質(zhì)。因?yàn)槊芊庥捅霉ぷ鹘橘|(zhì)的粘度較高，因而易發(fā)生吸空、汽蝕現(xiàn)象而激發(fā)較大的噪聲。

如果泵的汽蝕余量過(guò)小，很小的擾動(dòng)都可能導(dǎo)致泵發(fā)生汽蝕，從而產(chǎn)生較大的振動(dòng)及異音。泵的汽蝕余量如下：

(1)

其中：Pe為吸入池液面壓強(qiáng)；PV為汽化壓強(qiáng)；Hg為幾何安裝高度；∑Hw為流動(dòng)損失。

(2)

其中：λ為管路沿程阻力系數(shù)；Li為吸油管線的長(zhǎng)度(m)；ξj為吸油管路彎頭局部阻力系數(shù)；v為吸油管內(nèi)流體流速(m/s)。

通過(guò)上述公式可知，影響泵汽蝕余量且現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)節(jié)的主要參數(shù)如下：

Pe：吸入池液面壓強(qiáng)；

Hg：齒輪泵幾何安裝高度；

∑Hw：流動(dòng)損失。

下面對(duì)各參數(shù)一一進(jìn)行分析。

2.4.1 吸入池液面壓強(qiáng)

密封油泵入口為真空油箱，該油箱為密封油泵提供連續(xù)的潤(rùn)滑油，同時(shí)該油箱對(duì)其中的潤(rùn)滑油進(jìn)行除氣，為保證其除氣功能，有真空泵持續(xù)對(duì)真空油箱進(jìn)行抽真空。通過(guò)調(diào)整真空油箱的真空度可以改變吸入池的液面壓強(qiáng)，從而提高泵的汽蝕余量。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該分析進(jìn)行了驗(yàn)證，將真空箱壓力增大后，密封油泵的振動(dòng)和異音隨著壓力的增大而減小，直至消失。同時(shí)為了避免報(bào)警的產(chǎn)生，目前建議真空箱的壓力在15～20 kPa之間。

2.4.2 齒輪泵幾何安裝高度

齒輪泵安裝在真空箱之下，安裝高度為負(fù)值，齒輪泵距離液面的距離越大，汽蝕余量越大。由于管道的安裝已經(jīng)確定，無(wú)法進(jìn)行調(diào)整?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整真空箱的液位高度，來(lái)提高泵的吸入壓頭。

真空油箱液位高度的運(yùn)行范圍為810～1010 mm，超出該范圍將產(chǎn)生報(bào)警，為保證較高的安裝高度及運(yùn)行要求，目前液位高度均調(diào)整至900 mm左右。

2.4.3 ∑Hw流動(dòng)損失

密封油泵的流動(dòng)損失如下：

(3)

其中：ξj為吸油管路彎頭局部阻力系數(shù)，為定值。僅管路沿程阻力系數(shù)λ可變化。

取正常運(yùn)行的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：管道內(nèi)徑d=100 mm；潤(rùn)滑油溫度45 ℃；吸入真空10 kPa·a；運(yùn)動(dòng)粘度38×10-6m2/s；流量Q=417 L/min。

(4)

(5)

為層流向紊流的過(guò)渡區(qū)，且趨于層流，為簡(jiǎn)化計(jì)算，按照層流計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

(6)

其中：流速v、管徑d為定值，僅潤(rùn)滑油粘度μ隨著溫度的升高而減小。帶入汽蝕余量公式，可知：汽蝕余量與溫度正相關(guān)，即溫度升高時(shí)，汽蝕余量大；溫度降低時(shí)，汽蝕余量小。

由于高粘度泵輸送的介質(zhì)粘度較高，為減小流動(dòng)阻力，提高泵的吸液能力，需要提升介質(zhì)溫度。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該分析進(jìn)行了驗(yàn)證，持續(xù)觀察振動(dòng)、異音與溫度的關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)其他條件不變時(shí)，振動(dòng)、異音與溫度的關(guān)系如表2所示。

表2 密封油泵油溫及振動(dòng)、異音的關(guān)系

從以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)溫度降低時(shí)密封油泵會(huì)存在振動(dòng)及異音，且隨著溫度的降低，振動(dòng)和異音情況會(huì)愈加明顯，與理論分析結(jié)果一致。

2.5 其他因素

2.5.1 真空箱氣泡

螺桿泵上方為真空油箱，其作用為螺桿泵提供連續(xù)的潤(rùn)滑油，并對(duì)回到真空箱的潤(rùn)滑油進(jìn)行除氣處理。為滿足除氣的功能要求，其上方有真空泵持續(xù)抽真空，且真空箱內(nèi)存在20個(gè)噴嘴，以便對(duì)進(jìn)入油箱的潤(rùn)滑油進(jìn)行霧化除氣處理。

但是對(duì)真空箱進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部只有3個(gè)噴嘴，其他17個(gè)噴嘴均已經(jīng)拆除。咨詢廠家，廠家反饋在制造廠進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴過(guò)多時(shí)，螺桿泵會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的振動(dòng)，所以廠家在安裝時(shí)即將大量的噴嘴拆除，僅保留了3個(gè)噴嘴。

同時(shí)對(duì)未發(fā)生過(guò)異音的1號(hào)機(jī)真空箱進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部所有噴嘴均已經(jīng)拆除。

圖3 真空油箱結(jié)構(gòu)圖

分析認(rèn)為，噴嘴在對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行霧化除氣的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡進(jìn)入螺桿泵會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和異音，所以對(duì)2號(hào)機(jī)的噴嘴也進(jìn)行了拆除。但是3號(hào)機(jī)不存在噴嘴，仍有較大的振動(dòng)和異音，說(shuō)明噴嘴產(chǎn)生的氣泡只是加重了泵的振動(dòng)，并不是唯一的原因。

2.5.2 密封泵出口壓力整定

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)螺桿泵出口安全閥進(jìn)行壓力整定，調(diào)整螺桿泵的出口壓力，當(dāng)泵的出口壓力增大時(shí)，泵的異音及振動(dòng)現(xiàn)象有一定的緩解。且當(dāng)汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，螺桿泵振動(dòng)及異音較大，但是當(dāng)盤車狀態(tài)時(shí)，密封油供油流量下降，螺桿泵的出口壓力增大，異音消失。

相關(guān)現(xiàn)象表明，相同條件下，出口壓力越高，自吸性能越好，越不易發(fā)生汽蝕問(wèn)題。這是由于排出壓力越大，介質(zhì)通過(guò)螺桿泵之間及螺桿與螺桿襯套之間從排出腔泄露回吸入腔的量越多，這樣就延緩了泵的吸入腔內(nèi)汽蝕的發(fā)生。

通過(guò)以上分析，可知造成密封油泵產(chǎn)生較大異音和振動(dòng)的原因?yàn)楸冒l(fā)生了汽蝕，而導(dǎo)致汽蝕的主要因素為吸入池液面壓強(qiáng)較小，齒輪泵幾何安裝高度不足，且流動(dòng)損失過(guò)大。因上游真空箱內(nèi)產(chǎn)生的大量氣泡加重了泵的汽蝕現(xiàn)象，由此導(dǎo)致泵的異音和振動(dòng)較大。

3 處理措施及效果

針對(duì)以上原因分析，制定的處理措施如下：2號(hào)機(jī)在第一次大修期間，將入口罐內(nèi)的噴嘴拆除，從而減少泵入口的氣泡，降低擾動(dòng)。通過(guò)提高真空箱的液位高度，降低真空箱的真空度來(lái)增大泵的汽蝕余量。同時(shí)在啟機(jī)后重新整定密封油泵的出口壓力。通過(guò)以上工作，密封油泵的振動(dòng)和異音問(wèn)題得到處理，再未發(fā)生該問(wèn)題。

3號(hào)機(jī)在首次小修期間，執(zhí)行了2號(hào)機(jī)相同的工作。但是啟機(jī)后，仍存在較大的振動(dòng)和異音。通過(guò)持續(xù)的查找，發(fā)現(xiàn)其供油溫度較1、2號(hào)機(jī)低5℃左右，且波動(dòng)較大，油溫過(guò)低造成潤(rùn)滑油粘度過(guò)大，流動(dòng)損失過(guò)大，導(dǎo)致汽蝕的發(fā)生。將密封油泵的供油溫度恢復(fù)正常后，振動(dòng)及異音問(wèn)題消失。

至此2、3號(hào)機(jī)密封油泵長(zhǎng)期存在的振動(dòng)及異音問(wèn)題得到處理。

4 經(jīng)驗(yàn)反饋及總結(jié)

螺桿泵由于其結(jié)構(gòu)和工作特性，相對(duì)其他液壓泵而言，具有自吸能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、工作噪聲小、流量壓力脈動(dòng)小和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)生汽蝕的可能性較小。所以在最開始處理本問(wèn)題的過(guò)程中，認(rèn)為汽蝕的可能性較小，簡(jiǎn)單的對(duì)相關(guān)設(shè)備均進(jìn)行了更換和解體檢修，然而問(wèn)題并沒(méi)有得到解決。后續(xù)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的排除分析，最后找到了根本原因。設(shè)備異常的處理不僅要關(guān)注設(shè)備本身，同時(shí)也要關(guān)注系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的影響。同時(shí)針對(duì)這種輸送高粘度介質(zhì)的齒輪泵，其吸油管道內(nèi)徑應(yīng)足夠大，并避免狹窄通道或急劇拐彎、減少?gòu)濐^，去除不必要的閥門、附件，盡可能地降低泵的安裝高度，縮短吸油管道的長(zhǎng)度，以減少壓力損失。管接頭等元件的密封要良好，以防止空氣侵入，從而控制氣穴與汽蝕的發(fā)生。