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辅助给水电动泵耐久试验过程中轴承烧损问题诊断分析与处理

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：吴声龙付东革杨洋

[导读] 摘要：本文以海南昌江核电项目为例，对国产化的辅助给水电动泵在200小时耐久试验时泵轴承数次烧损事件进行了阐述，并通过力学计算、对比分析、试验验证、专家论证的方式排查找到轴承烧损的根本原因。

        中国核电工程有限公司设备成套中心北京 100840
        摘要：本文以海南昌江核电项目为例，对国产化的辅助给水电动泵在200小时耐久试验时泵轴承数次烧损事件进行了阐述，并通过力学计算、对比分析、试验验证、专家论证的方式排查找到轴承烧损的根本原因。海南电辅泵轴承烧损问题的故障诊断分析及原因排查方式非常具有代表性，它为后续此类问题的解决提供了范例，具有一定的参考价值。
        关键词：多级泵；轴承烧损；
        1 引言
        在核电站的建设中，安全性、可靠性最为重要，作为核电站专设安全设施辅助给水电动泵（以下简称“电辅泵”）的安全作用是在主给水系统的任何一个环节发生故障时，作为应急手段向蒸汽发生器二次侧供水，使一回路维持一个冷源，排出堆芯热量，直到余热排出系统投入运行为止。
        根据海南昌江辅助给水电动泵技术规格书要求，制造厂对首台泵组进行200小时的出厂耐久试验，在此期间发生了多次非驱动端轴承烧损，制造厂通过多次改进和验证进行原因排查，解决问题的过程充满了困难与艰辛，买卖双方均投入了大量时间、精力、成本。因此，笔者认为很有必要将泵轴承烧损事件的经过、处理方案及结果进行事件还原，从中总结经验，吸取教训。在后续项目采购管理过程中厘清思路，减少绕弯路，寻找解决问题的最优途径，为项目进度节约时间，为制造厂节省人力和费用。希望本文能给后续泵类采购人员处理此类问题提供一点参考。
        2 海南电辅泵结构特点介绍
        海南电辅泵结构特点：
        1）辅助给水电动泵为卧式双壳体多级泵，内壳体为整体抽芯结构，级数为9级，转速为2980r/min；
        2）泵轴承采用滚动轴承，驱动端为圆柱滚子轴承，自由端为一副配对的圆锥滚子轴承；

        图1泵结构图
        3）润滑方式采用稀油自润滑，轴承冷却方式为空冷（轴承体上设有散热片）；
        4）整个泵组无需再配置额外的润滑系统及冷却水系统，并保证泵组能够在无预润滑的情况下快速启动。
        3造成轴承烧毁的原因分析及排查
        根据数次试验及解体检查情况梳理出造成泵轴烧损因素可能有：
        1）装配间隙不合理；2）润滑油中存在杂质；3）润滑油选型不合理；4）泵轴承测温方式不合理；5）力学结构设计不合理，残余轴向拉力超出轴承的承载能力；6）泵组轴承润滑相关结构设计不合理导致轴承体供油不足。
        导致泵轴承烧损的原因可能是其中某一因素引发，也可能是两个或多个因素综合作用的结果，如何去伪存真，诊断出轴承烧损问题产生的根本原因。本文分别利用对比法、力学计算、ANSYS模拟计算、试验验证、油品理化分析等方式对以上问题逐一甄别。
        3.1与样机的结构对比
        将产品与样机进行结构对比，寻找两者之间的差异，可能找到造成轴承烧损的根本原因。排查结果如下：
        1）平衡机构形式与样机一样，采用平衡鼓结构，且尺寸与样机完全一致；
        2）密封环间隙与样机一致，直径间隙均在0.5mm左右；
        3）轴承结构与样机一致，且轴承型号及品牌均与样机一致；
        4）水力部件改进后，泵的总长、级间长度、进出口相对位置、支撑的相对位置等尺寸与样机相比均未发生变化。但叶轮外径由原样机的φ295mm变为φ310mm。叶轮口环及后齐子外径尺寸与样机一致；
        5）产品自由端轴承两侧设有碟形弹簧和轴承挡板，样机自由端轴承两侧直接用轴承压盖压紧。
        3.2自由端轴承的轴向力计算
        从结构和用经验公式计算的轴向力对比初步得出：海南电辅泵的平衡鼓尺寸与样机一致，而叶轮产生的轴向力小于样机，在正常工况下，泵的转子施加到轴承上的残余轴向拉力应不超出轴承的承载能力。
        3.3各运行工况下总轴向力模拟计算
        使用CFD流场分析计算电辅泵各工况下的轴向力
        流量为91+7 m3/h时全流场压力分布如图所示

        图7 全流场压力分布（Q = 91+7 m3/h）图8叶轮前后盖板外侧压力降
        由计算结果，除大流量点168+7m3/h时泵转子施加到轴承上的残余轴向力指向泵驱动端外，其它几个工况点残余轴向力均指向泵的非驱动端。即按ANSYS软件的分析结果，在7+7 m3/h、17+7 m3/h、91+7 m3/h工况点时，非驱动端圆锥滚子轴承处于受推状态（靠非驱动端一侧的轴承受力），168+7 m3/h工况点时，非驱动端圆锥滚子轴承处于受拉状态（靠驱动端一侧的轴承受力）。
        按轴承烧坏时泵试验的实际情况，泵是在额定点91+7m3/h启动后，受拉力一侧轴承（靠驱动端一侧轴承）烧坏，而根据以上ANSYS的分析计算结果，此时烧坏的轴承未受力。因此，初步可以排除轴承因承受残余轴向力过大而烧坏的可能性。
        3.4轴承装配间隙对比
        通过对装配过程复盘，发现轴承装配时轴承压盖丙和轴承挡板之间的轴向间隙未留。而样机和海南昌江项目1号机组2台泵都在装配时考虑了此间隙，且没有发生烧轴承事故。第二次200小时耐久试验时，制造厂调整了轴承间隙，虽然轴承运行情况得到很大改善，但轴承依旧发生了第二次烧损，说明装配间隙不是导致轴承烧损的根本原因。
        3.5润滑油发黑的原因
        轴承供应商提供《2ASG001PO轴承运行情况评估报告》，对耐久试验后轴承所使用的润滑油及其内部的固体杂质进行分析，报告中测定了未使用的新油、运行20h后换下的油和200h耐久后放出的油的粘度、杂质成分等。根据分析，轴承装配过程中使用了二硫化钼做为润滑剂（二硫化钼为黑色），同时轴承的磨粒磨损进一步污染了润滑油。
        3.6轴承体供油油路结构形式变化的影响
        将产品轴承结构与样机进行对比，发现海南昌江辅助给水电动泵自由端轴承的靠自由端一侧增加了轴承压盖丁，甩油环的润滑油路增加（甩油环到滚动轴承的距离增加）。轴承两侧碟形弹簧和轴承挡板的设置，会造成轴承润滑的进排油受到阻碍；且甩油环的润滑油路增加了可能会造成供油不足。此外，在对2ASG001PO泵进行尺寸检查时发现自由端轴承体上恒位油杯孔和油标孔高度位置不符合项设计要求，通过油标孔观察来给轴承体加油，可能造成供油不足。
        基于以上分析，制造厂对2ASG001PO泵进行如下整改：
        1）将自由端轴承结构改回样机的结构，取消了轴承两侧的碟形弹簧和轴承挡板，并修改轴承压盖的设计，以改善轴承润滑油进油、排油通道；
        2）将轴承体上的恒位油杯改为管状油标，在轴承装配过程中测量并在管状油标上标示出最低油位和最高油位；
        轴承体结构修改后2ASG001PO进行200小时耐久试验，试验结果正常，解体检查所有零部件均没有发现异常。通过专家会论证轴承润滑结构的修改造成轴承润滑不畅是造成轴承烧损的根本原因。
        4.总结
        海南辅助给水电动泵轴承数次烧损的根本原因是轴承体润滑系统整体结构改变后，轴承润滑的进排油收到阻碍，轴承润滑油供给不足，同时轴承中的热油不能及时排出，造成轴承在运行时内部局部区域存在高温。
        轴承体上恒位油杯孔和油标孔高度的偏低导致轴承中油位的偏低（油位由油标进行标示），滚动轴承的滚子实际未被润滑。泵在启动瞬间，由于甩油环还未进入供油状态，轴承内部可能短时间存在干磨状态，多次启动后，造成轴承加速疲劳磨损。
        参考文献：
        [1]邱化青，赵芳，1000MW核电站用电动辅助给水泵样机的研发实践[M].沈阳：水泵技术，2010，16-17
        [2]李天斌压水堆核电站电动辅助给水泵国产化研究[D].上海：上海交通大学，2011：27-39