100型核主泵電機(jī)潤(rùn)滑油異常損失的原因分析和處理

王世鵬，馬有奇，張 菁，毛文軍

(中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，深圳 518124)

0 引言

反應(yīng)堆冷卻劑泵簡(jiǎn)稱主泵。主泵作為壓水堆核電站一回路的重要設(shè)備，為反應(yīng)堆熱交換提供循環(huán)動(dòng)力。每臺(tái)主泵由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在主泵電機(jī)帶動(dòng)下，主泵可以持續(xù)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑在一回路系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，確保有適當(dāng)流量的冷卻劑流經(jīng)堆芯[1]，防止堆芯出現(xiàn)膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。

中廣核CPR1000壓水堆在運(yùn)核電站一回路主冷卻劑泵均使用100型主泵電機(jī)。隨著機(jī)組的運(yùn)行，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)個(gè)別100型主泵電機(jī)出現(xiàn)潤(rùn)滑油損失較大的現(xiàn)象，一定程度上影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。主泵作為整個(gè)核電站的心臟，其電機(jī)潤(rùn)滑油損失較大的問題必須引起高度重視，一旦出現(xiàn)故障，將直接影響發(fā)電效益。

1 100型主泵電機(jī)及潤(rùn)滑油工作原理簡(jiǎn)述

100型主泵電機(jī)為立式鼠籠式電動(dòng)機(jī)，額定功率6 500 kW，額定電壓6.6 kV，額定轉(zhuǎn)速1 485 r/min[2]。電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、上軸承室、下軸承室、頂軸油泵系統(tǒng)、油冷器和空冷器等主要部件組成。運(yùn)行時(shí)，電機(jī)上下軸承均采用美孚潤(rùn)滑油潤(rùn)滑和冷卻，潤(rùn)滑油在油冷器中循環(huán)換熱，軸承溫度始終保持在60 ℃左右。潤(rùn)滑油分布為：電機(jī)上軸承室760 L，油冷器200 L，下軸承室110 L[2]。

該型電機(jī)采用開式設(shè)計(jì)，有動(dòng)密封和靜密封兩種密封方式，允許少量潤(rùn)滑油揮發(fā)損失[3]。動(dòng)密封由油封環(huán)，靜密封由密封圈、密封墊和密封膠組成。運(yùn)行期間，主泵電機(jī)潤(rùn)滑油損失的基本原因，一方面是動(dòng)密封部位內(nèi)外兩側(cè)的壓差過大使油氣向外過多損失造成，另一方面是靜密封工作面損傷或密封圈失效造成。

經(jīng)分析，運(yùn)行期間上軸承室潤(rùn)滑油損失及回油共有8條路線。如圖1所示，路線1、2、3、4為密封失效時(shí)的主要泄漏路徑，分別包括：推力盤側(cè)油密封；飛輪油封; 飛輪密封圈; 飛輪棘爪盤支架密封圈失效時(shí)潤(rùn)滑油滲漏路線。路線5、6、7、8為正常運(yùn)行時(shí)潤(rùn)滑油油氣冷凝后的回油路徑，分別包括：冷凝油氣從飛輪油封回油小孔回流路線；冷凝油氣從飛輪油封到集油罐的路線；飛輪罩冷凝潤(rùn)滑油回流到油位計(jì)路線；推力盤側(cè)油密封部分冷凝油氣回流集油罐路線。

圖1 100型主泵電機(jī)上軸承潤(rùn)滑油泄漏示意圖

飛輪油封有導(dǎo)風(fēng)孔，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)境空氣從導(dǎo)風(fēng)孔經(jīng)導(dǎo)風(fēng)片進(jìn)入，飛輪油封產(chǎn)生氣封作用，對(duì)油封處高溫油氣進(jìn)行冷卻，增加油氣運(yùn)動(dòng)黏度，同時(shí)降低油封內(nèi)外側(cè)壓力差。冷凝后的油氣從飛輪油封回油孔回流到軸承室和集油罐中，從而減少油氣泄漏量。

下軸承潤(rùn)滑油損失共有5條路線。如圖2所示，路線1為潤(rùn)滑油油氣從下軸承上油封泄漏路線；路線2為上油封密封圈失效時(shí)潤(rùn)滑油泄漏路線；路線3為潤(rùn)滑油從下軸承室內(nèi)筒泄漏路線；路線4為內(nèi)筒與軸承室墊板結(jié)合面密封圈失效時(shí)潤(rùn)滑油滲漏路線；路線5為下軸承墊板與軸承室外殼結(jié)合面密封圈失效時(shí)潤(rùn)滑油滲漏路線。另外，上油封連接有氣封管道，在運(yùn)行期間形成氣封作用，冷凝油封處的高溫油氣。

圖2 下軸承潤(rùn)滑油泄漏示意圖

2 主泵電機(jī)油氣密封的故障形式及處理方法

2．1 主泵電機(jī)潤(rùn)滑油損失大的因素分析

當(dāng)電機(jī)潤(rùn)滑油損失較大時(shí)，可以從動(dòng)密封狀態(tài)、靜密封狀態(tài)和制造加工三方面考慮，得出三種主要損失情況。

(1) 油封間隙不合格或油封損壞

油封作為主泵電機(jī)重要的動(dòng)密封起著主要控制潤(rùn)滑油損失量的作用。油封間隙過大或者工作面損壞都會(huì)使有效油封工作面減少甚至失效，流阻減小，則油氣溢出增大，直接導(dǎo)致油氣損失增大。油封間隙過小，在運(yùn)行中因轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)受到轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的一定徑向壓力，增大摩擦熱量，使油封有效工作面破損，造成動(dòng)靜件相擦，發(fā)生摩擦黏結(jié)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致油封變形損壞密封件和轉(zhuǎn)子劃傷。

(2) 結(jié)合面的密封圈、密封墊失效

密封圈和密封墊為主要的靜密封，防止?jié)櫥蛷挠头膺吔鐫B漏。密封圈若在安裝時(shí)損壞或者質(zhì)量存在缺陷，在運(yùn)行期間會(huì)成為主要的漏點(diǎn)，因此密封圈使用前需重點(diǎn)檢查，不能存在空腔、表面裂紋、劃傷等缺陷。

(3) 廠家制造缺陷

主泵電機(jī)各個(gè)密封部位有精密的尺寸和形狀配合要求，廠家的制造加工質(zhì)量直接決定了潤(rùn)滑油損失大小。從往年反饋中，有幾起因廠家制造問題而發(fā)生的潤(rùn)滑油損失大的事件。

2．2 主泵電機(jī)潤(rùn)滑油損失大的處理方法

2．2．1 上軸承油氣揮發(fā)大事件原因分析及處理

國(guó)內(nèi)某核電站在大修期間檢查發(fā)現(xiàn)主泵房間地板有油氣凝結(jié)，電機(jī)上軸承飛輪罩內(nèi)部、空冷器、油冷器上部有較多油跡和油滴。經(jīng)估算，一個(gè)循環(huán)潤(rùn)滑油損失超過20 L，較另外兩臺(tái)主泵電機(jī)多。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和后續(xù)電機(jī)全檢發(fā)現(xiàn)以下問題：飛輪頂蓋密封墊有10 cm左右缺失；上軸承集油罐底部絲堵較松且無積油；飛輪罩導(dǎo)風(fēng)片密封條有長(zhǎng)12 cm左右翻起，沒起到密封作用；飛輪罩與上軸承室結(jié)合面密封圈部分變形；拆卸下的飛輪甩油環(huán)密封圈彈性較差；油封環(huán)與油封支架接觸面未完全貼合；油封銅環(huán)加工缺陷，多加工9個(gè)通孔，如圖3～圖5所示。

圖3 飛輪甩油環(huán)密封圈老化失效導(dǎo)致油氣滲漏

圖4 甩油環(huán)頂部密封圈老化

圖5 油封與油封支架接觸面積的藍(lán)油試驗(yàn)

經(jīng)分析此次潤(rùn)滑油損失大的主要原因有：飛輪甩油環(huán)頂部密封圈老化失效；飛輪油封加工缺陷(多加工9個(gè)通孔)；飛輪油封與油封支架配合部位有凸臺(tái)，油封銅環(huán)與支架接觸面未完全貼合(藍(lán)油試驗(yàn)表明：接觸率≤5%)；飛輪導(dǎo)風(fēng)片密封失效，飛輪油封內(nèi)外兩側(cè)壓差增大。

針對(duì)以上問題的處理措施如下：現(xiàn)場(chǎng)更換飛輪頂蓋密封墊，重新對(duì)集油罐連接管線涂抹密封膠，旋緊底部絲堵；更換新的飛輪罩導(dǎo)風(fēng)密封條和飛輪罩密封圈，修復(fù)飛輪罩內(nèi)部氣封邊界，恢復(fù)飛輪油封上部微正壓以減少油氣揮發(fā)；更換飛輪甩油環(huán)密封圈，并更換有缺陷的飛輪油封，恢復(fù)油封關(guān)鍵部件的有效可用。

2．2．2 上軸承低油位報(bào)警事件的原因分析及處理

國(guó)內(nèi)某核電站在線運(yùn)行期間出現(xiàn)主泵電機(jī)上軸承低油位報(bào)警，為避免機(jī)組非正常停機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行泄漏原因排查并進(jìn)行在線補(bǔ)油作業(yè)。在大修檢查中發(fā)現(xiàn)電機(jī)油冷器下部連接法蘭密封圈損壞。此次事件根本原因是油冷器下部油側(cè)法蘭密封配合面使用了非整圈的硫化密封圈，為兩半圓形密封圈，長(zhǎng)期運(yùn)行后兩半圓密封圈結(jié)合面因疲勞老化而破損失效，導(dǎo)致潤(rùn)滑油快速泄漏。

針對(duì)該問題的處理措施如下：為滿足機(jī)組持續(xù)運(yùn)行條件，進(jìn)行在線補(bǔ)油，保證軸承室潤(rùn)滑油量足以維持到大修；對(duì)滲漏部位使用密封膠(灰膠)作為輔助密封進(jìn)行堵漏修復(fù)。大修期間拆卸油冷器下部連接法蘭，排查密封配合面是否存在異常；對(duì)密封配合面凸點(diǎn)進(jìn)行打磨處理，更換整圈的密封圈。

2．2．3 上軸承高油位報(bào)警事件原因分析及處理

法國(guó)某核電站一機(jī)組功率運(yùn)行時(shí)，主控出現(xiàn)主泵電機(jī)上部軸承油位高報(bào)警，但是問題探頭和冷卻水系統(tǒng)的溫度記錄未出現(xiàn)異常。之后，在停機(jī)檢修中發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油中存在16%的水。如果在功率運(yùn)行中出現(xiàn)大量冷卻水進(jìn)入油冷器中，由于水密度大于油密度，將使上軸承油位上漲，并可能溢出而引起下部保溫棉起火損壞設(shè)備；而少量冷卻水進(jìn)入潤(rùn)滑油中，將導(dǎo)致潤(rùn)滑油部分乳化并形成沉積物，在運(yùn)行中堵塞頂軸油系統(tǒng)和軸瓦出油孔，影響電機(jī)潤(rùn)滑效果。

事件根本原因是電機(jī)油冷器一根冷卻水管束回裝時(shí)，底部法蘭與油冷器連接法蘭存在不對(duì)稱應(yīng)力，導(dǎo)致該部位密封在運(yùn)行期間逐漸失效，冷卻水從該部位泄漏至油室中。

針對(duì)以上問題的處理措施如下：檢查并確認(rèn)冷卻水管束法蘭密封配合面良好，若存在劃痕、凹凸點(diǎn)則需進(jìn)行打磨處理；更換油冷器必?fù)Q備件前，確認(rèn)無質(zhì)量缺陷；進(jìn)行打壓試驗(yàn)，驗(yàn)證油冷器RRI水管束密封性能，排除冷卻水泄漏的可能。

2．2．4 下軸承潤(rùn)滑油損失大事件原因分析及處理

國(guó)內(nèi)某核電站機(jī)組在一次大修停機(jī)取油樣時(shí)發(fā)現(xiàn)有一臺(tái)主泵電機(jī)下軸承油位為-11 mm，且下軸承集油盤有較多積油，當(dāng)時(shí)對(duì)下軸承室與油冷器底板接合面進(jìn)行涂抹密封膠處理。再鑒定啟動(dòng)該泵時(shí)，能看到較多油氣，且下軸承支架處有多處油珠。當(dāng)?shù)较乱粋€(gè)大修取油樣時(shí)發(fā)現(xiàn)該主泵電機(jī)下軸承油位為-4 mm，集油盤有較多積油，判定電機(jī)下軸承油冷器底板密封失效滲油。

現(xiàn)場(chǎng)拆卸下軸承室底板，檢查發(fā)現(xiàn)底板與下軸承室外殼結(jié)合面有凸點(diǎn)和劃痕，如圖6所示，該結(jié)合面缺陷為潤(rùn)滑油異常損失的根本原因。

圖6 電機(jī)下軸承油冷器底板結(jié)合面損傷

針對(duì)該問題提出以下處理措施：對(duì)該結(jié)合面的凸點(diǎn)和劃痕進(jìn)行清洗打磨，回裝后使用塞尺確認(rèn)結(jié)合面小于0.02 mm；對(duì)下軸承上油封間隙重新調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)值0.25～0.45 mm，分布偏差≤0.1 mm。

2．2．5 制造缺陷導(dǎo)致某主泵電機(jī)上軸承潤(rùn)滑油損失大問題處理

國(guó)內(nèi)某核電站一號(hào)機(jī)檢修過程中，發(fā)現(xiàn)一臺(tái)主泵電機(jī)上軸承4個(gè)集油罐再次滿油，且上軸承絕緣槽有較多積油。經(jīng)測(cè)算，上軸承潤(rùn)滑油損失油量超過標(biāo)準(zhǔn)每季度5 L，比另兩臺(tái)多。

現(xiàn)場(chǎng)檢查上軸承其他密封部位均無漏點(diǎn)。在拆卸飛輪油封檢查后，發(fā)現(xiàn)油封回油孔因廠家制造缺陷被堵塞，揮發(fā)凝結(jié)后的潤(rùn)滑油不能從回油孔回到上軸承室，而直接流到了上軸承外側(cè)集油罐中，導(dǎo)致潤(rùn)滑油額外損失。

此次問題的根本原因在于廠家制造問題，在制造完工后沒有排查出部件的質(zhì)量缺陷。

針對(duì)該問題提出如下處理措施：拆卸飛輪油封，仔細(xì)對(duì)比油封初始狀態(tài)和設(shè)計(jì)圖紙，確定制造缺陷位置；重新加工油封上四個(gè)φ3 mm的回油小孔，確保小孔通暢無堵塞；設(shè)備出廠前，廠家完善試運(yùn)行檢查方案，排除制造缺陷。

3 結(jié)論

100型主泵作為核電站的心臟，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主要設(shè)備和壓力邊界之一，承擔(dān)著至關(guān)重要的功能，而主泵潤(rùn)滑油異常損失對(duì)其危害極大，關(guān)系到主泵的安全可靠運(yùn)行。本文通過對(duì)主泵電機(jī)中的核心部件上軸承、下軸承和油冷器的潤(rùn)滑油異常損失的原因進(jìn)行分析，歸納出造成主泵電機(jī)潤(rùn)滑油損失的原因主要與靜密封、動(dòng)密封和制造缺陷三方面有關(guān)。針對(duì)具體損失位置及原因，本文中嘗試提出對(duì)應(yīng)的處理措施，以期一定程度上解決100型主泵電機(jī)潤(rùn)滑油異常損失的問題。

通過分析和歸納，可以為100型主泵電機(jī)的檢修、潤(rùn)滑油異常損失原因排查提供參考，從而有效保證電站的正常、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。