核电站关键设备电机轴承润滑与寿命分析

程义岩，杨 杰

（秦山核电有限公司，浙江 海盐 314300）

核电站关键设备电机轴承润滑与寿命分析

程义岩，杨 杰

（秦山核电有限公司，浙江 海盐 314300）

分析了影响滚动轴承（以下简称轴承）使用寿命的各种因素，阐述了轴承的润滑原理，研究了导致轴承过早失效的原因及所带来的危害，以此揭示轴承润滑对轴承使用寿命的影响。对如何通过改善轴承的润滑来提高轴承运行的可靠性与使用寿命进行了探讨，为今后核电设备的维护与检修提供一些可借鉴的经验和方法。

核级电机；滚动轴承；轴承润滑；轴承寿命

在核电站里，驱动关键和重要设备的电机都是可靠性要求很高的核级电机。轴承是电机的重要组成部分，是电机动、静部分的连接载体，有效地延长轴承的使用寿命是确保核电设备持续、安全、稳定运行的基础。

轴承的寿命是轴承各项性能指标的综合反映。影响轴承寿命的各种重要因素之间又是相互关联、相互影响的，它们最终会直接影响到轴承的使用寿命。轴承的使用寿命是指轴承因内外滚道、滚动体和保持架的工作面由于受高应力的重复作用而使材料表面发生剥落，造成接触性疲劳损伤，使轴承无法正常工作所累计的工作时间。国际上通用的轴承使用寿命的计算方法如下:

式中: a1——可靠因子，当可靠性为90%时，a1=1，可靠性提高，a1降低；

a2——轴承特性因子，决定于轴承的材质和加工工艺因素；

a3——使用条件因子，决定于润滑脂油膜状态、污染程度、负载状况等因素；

C ——额定动载荷，由轴承尺寸决定其定值，其值与滚动体的尺寸和数量成正比（国家标准或生产厂商给定）；

P——当量载荷；

由上述可知，影响轴承使用寿命的主要有以下3方面因素:

（1）轴承的材质及加工工艺；

（2）轴承的负载状况；

（3）轴承的润滑条件。

自20世纪90年代以来，随着轴承钢冶炼技术的提高以及轴承制造、加工工艺技术的改进，使得轴承总体质量有了较大的提升，轴承质量也较为稳定。而轴承的负载工况和润滑状态则因设备的功能差异和使用场所的不同而存在着很多不确定因素。为了便于研究轴承在运行过程中的变化规律，可以把轴承材质和加工方面的因素暂时看作不变量，主要讨论轴承润滑对轴承寿命的影响。分析和研究轴承在运行工况下的润滑状态尤为重要，由此可以确定轴承早期故障的起因和发展变化规律。通过对轴承润滑故障早期征兆的研究以及对轴承寿命变化规律的总结，为今后核电站重要设备电机的安全稳定运行和设备检修工作提供一些可借鉴的现场经验和科学的理论依据。

电机轴承的重要作用是支撑和固定转子，它同时又是一个精密部件，它同样具有零部件安装—使用—失效的发展变化规律，而润滑始终贯穿在整个过程之中。

轴承又是电机唯一转动磨损的机械部件，也是电机各个部件中相对薄弱的环节。据有关资料统计表明，有80%以上的电机故障是与轴承故障有关，而轴承故障的起因与轴承的润滑状态又有着一定的因果关系。因此做好轴承的有效润滑是减少轴承故障和延长轴承使用寿命的重要前提。

1 轴承的润滑机理及使用寿命

电机轴承的润滑分为油润滑和脂润滑，脂润滑因其结构简单、可靠性高而被广泛采用。但是它也存在着置换性差、散热不良等不足之处。脂润滑是以润滑脂作为润滑剂和冷却剂。润滑脂由基础油和稠化剂为主要成分组成，它是一种半固态的塑型膏状的润滑剂。

基础油占润滑脂总量的75%～97%，润滑脂的润滑功能是由基础油来完成的，润滑脂的许多性能也都取决于基础油的性质。

稠化剂含量约占润滑脂总量的3%～25%，稠化剂的主要作用是将液体润滑油（基础油）增稠成不流动半固体膏状物态，它同基础油一样决定着润滑脂的一些性能指标。

稠化剂的分子链很长而且相互缠绕形成网状结构，这样的分子结构具有面积大、包裹性强等特点，这样就可以把基础油储存在里面，并在一定速率的碾压下把基础油析出来，用于满足轴承润滑的要求。当轴承的运转部件碾压润滑脂时，有一小部分基础油被析出并黏附在轴承的工作面上，润滑脂就是通过析出基础油来起润滑作用的。当外作用力消失时析出的基础油又重新返回到润滑脂中，因此在轴承工作面上的润滑脂可以看作是一种含油的海绵状物质。润滑脂在运行一段时间后由于它不断地被氧化分解、蒸发及在离心力的作用下基础油析出后返回量逐渐减少，同时基础油本身也会出现一定老化现象，这样就使润滑脂的润滑性能有所下降。这时只能通过置换或补充新的润滑脂，才能使轴承的润滑油膜达到新的平衡均布，以维持良好的润滑性能。

轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架4部分组成，工作时它们之间是在做相对运动。润滑脂的主要作用是润滑轴承各个运动部件的接触表面，具体地说就是润滑轴承滚动体与滚道、滚动体与保持架、滚动体端面与套圈引导挡边之间的接触面。润滑脂所形成的油膜将轴承的各个运动部件分隔开来，使各个部件之间不直接发生金属摩擦，这就是润滑脂的主要功能，也是对轴承使用寿命影响最大的因素。轴承的可靠性和稳定性在很大程度上取决于润滑脂在轴承运转过程中油膜形成的时间、油膜对各部件的区隔能力及油膜对各部件区隔的持久性。

除此之外，润滑脂还能减少轴承的摩擦能耗，并作为传热介质带走能耗热量。这可使轴承内部的温度趋于一致，从而减少由于不同的热膨胀和局部高温对轴承几何形状的影响。润滑脂还能防止轴承各部件的高精度表面发生锈蚀现象，可以排除滚道上的颗粒，能阻止外部异物进入滚道，它同时又是保持架动态运动的阻尼介质。因此轴承润滑状态的好坏会直接影响到轴承的使用寿命。

润滑脂通过防止和减少各接触面的磨损来提高轴承的性能和延长轴承的使用寿命，轴承使用寿命的长短从某种意义上讲完全取决于轴承润滑状态的好坏，因此在不同的润滑条件下轴承的使用寿命差别是很大的（见图1）。

图1 不同润滑条件下轴承的使用寿命Fig.1 Service life of bearing under different lubrication conditions

合格的轴承其材质和加工工艺是完全可以满足用户要求的，轴承在正常工况下运行时，它的使用寿命其实包含着两个方面内容:（1) 轴承本身材料的疲劳寿命；（2) 润滑脂的使用寿命。

当轴承润滑条件出现问题时，即使再好的轴承材料也不能延长其使用寿命，只有当轴承润滑条件良好时，好的材料才能充分地发挥其应有的价值。

润滑脂的使用寿命是指润滑脂在一定的工作环境下（温度、负载、转速）保持结构不被破坏和维持良好润滑性能不变的能力。

在轴承运转过程中，由于载荷越大润滑脂所受的碾压力和剪切力就越大，转速越高单位时间内所受的碾压次数也就越多，因而润滑油膜的厚度和耐久性是与负载、转速成反比的。由于润滑脂的流动性较差，所以决定了它在轴承室内的相互置换性也较差，因此在接触面上的润滑脂（尤其是滚道上的润滑脂）经过反复的碾压，由于受到碾压力和剪切力的作用，使稠化剂中一些构成骨架结构的皂纤维之间的接触部分产生滑动以至脱开，从变形到流动，部分分子纤维也会发生断裂，这样其骨架体系结构被破坏，骨架结构强度也随之下降，导致润滑脂的含油率降低；同时基础油也会出现一定的退化现象，这些最终会导致润滑脂的润滑性能下降和温度上升。润滑脂在高温的环境下运行不仅会加速润滑脂中的基础油蒸发，而且还会加速润滑脂的氧化和大量基础油的析出。高温导致润滑脂胶体结构被破坏，造成基础油流失，使润滑性能降低。当基础油析出超过50%左右时，稠化剂因基础油的析出而形成硬块和炭化现象，使得润滑脂丧失润滑作用。

2 润滑脂劣化是导致轴承使用寿命降低的主要原因

润滑脂必须黏附在被润滑部件表面方能起到很好的润滑作用，由于润滑脂劣化到一定程度其黏附性已经丧失，使润滑油膜难以形成，此时轴承的被润滑表面便会发生金属摩擦。其最初表现为噪声增加、温度上升，如果继续发展下去，被润滑表面就会产生裂纹乃至剥落。这时噪声和温度就会持续上升，振动增大。而这时给轴承添加润滑脂只能在短时间内减小故障特征，很快故障特征又会重新出现，因为此时的轴承损伤已是不可逆转的了。

影响润滑脂劣化的原因大致可分为两类:（1）润滑脂的自然退化；（2）润滑脂受污染后的劣化。前者属于正常老化范畴，因此它的老化速度缓慢，劣化梯度较小，并可大致预测出它的失效期；而后者劣化速度快，劣化发展迅速，是造成轴承损害的主要因素。

2.1 润滑脂污染对轴承使用寿命的影响

润滑脂的污染可分为物理污染和化学污染两种。

2.1.1 物理污染

物理污染主要是以固体颗粒为主，其来源是:（1）由外部进入和随污染的润滑脂一同进入轴承；（2）轴承在运行过程中由于磨损剥落产生的磨粒。

固体颗粒进入轴承滚道后，被滚动体压入滚道形成压痕，由于压痕使压痕区产生塑型变形，使这个区域材料的机械强度降低。当滚动体再次经过压痕时会产生高应力集中现象，而在以后的循环碾压下，在压痕后侧便出现麻点和裂纹。并随着轴承运行时间的延长，顺滚动方向会形成裂纹并向外和深层扩展（见图2）。颗粒又改变了滚道接触面的几何形状，使滚道的表面粗糙度增加。而颗粒和压痕不仅阻碍油膜的形成，还会刺穿已形成的油膜，导致润滑不良，加速润滑脂的老化进程。

从外界进入轴承内的固体杂质（颗粒）看，其性质也有很大的差别，其中颗粒的尺寸、硬度和化学稳定性都是影响润滑脂加速劣化的直接因素。

有资料表明，当直径大于3 μm硬颗粒存在时，轴承的使用寿命将缩短近一半。因为硬颗粒不仅会刺穿油膜，还会在轴承的工作面上留下压痕。如果固体颗粒是脆性的，那么在循环碾压下被碾碎的颗粒会加快润滑脂中稠化剂大分子链的断裂，并使润滑脂进一步的劣化。如果这些颗粒在这个过程中化学稳定性较差与润滑脂发生了化学反应，那么情况将会变得更加严重。

2.1.2 化学污染

化学污染主要是水。水是以凝结水的形式进入轴承和润滑脂，这时水将形成两种化学磨损:（1）水和润滑脂起水解反应，释放出活性酸腐蚀轴承金属；（2）水直接腐蚀金属，使轴承表面生锈而产生蚀坑和蚀斑。

润滑脂中水分的危害:

润滑脂出厂时水分含量极少，如果在储存或给轴承加注润滑脂的过程中有水分混入时，水分将以游离状态存在于润滑脂当中，当含水量超标时会影响润滑脂的质量并导致轴承使用寿命下降，降低了润滑脂的防护性和防锈性能。水分还会对被润滑设备产生腐蚀作用，同时会降低润滑脂化学稳定性和机械稳定性。水将使轴承滚动接触面出现腐蚀点，这些腐蚀点将形成应力集中点，会导致裂纹的出现，也将使最大剪切应力作用于表层，最终导致表面裂纹的快速扩展。

润滑脂中的水会在滚道表面出现裂纹时通过表面细小的裂纹进入裂纹的尖端，导致水溶液腐蚀使材料变脆，缩短了裂纹扩展至临界尺寸的时间。

2.2 润滑不良对轴承使用寿命的影响

润滑不良会造成轴承疲劳损伤，它也包括如下两个方面。

2.2.1 表面疲劳损伤

表面疲劳损伤是表面形状与状态发生变化，这主要是异物颗粒的存在造成的，通过滚动体把不明异物带入滚道上反复滚压形成压痕，压痕发展成裂纹，裂纹持续扩展最终导致轴承失效。疲劳损伤的起点是以压痕为起点的，表面疲劳将由此逐步开始发展。

2.2.2 疲劳剥落

当表面疲劳损伤发展到一定程度之后就会发生疲劳剥落，一旦疲劳剥落出现就意味着轴承寿命的终结。

3 案例描述

棒电源发电机组是核电站非常关键的设备之一，它是给核反应堆控制棒提升机构提供电源的关键设备，它运行的可靠性直接关系到核电站的安全稳定运行，因此我们的维护和检修都是以设备运行的可靠性为中心的。

在巴基斯坦恰希玛核电站第一次换料检修中，对两台棒电源发电机组进行解体检修时，发现1号和2号发电机负荷侧轴承磨损状况有明显差异，1号发电机组磨损非常严重。图3为1号棒电源发电机负荷侧轴承磨损情况，图4为2号棒电源发动机负荷侧轴承磨损情况，图5是从1号棒电源发电机负荷侧轴承润滑脂中分离出来的颗粒（主要是黄铜保持架的磨粒）。1号发电机负荷侧轴承保持架上的一颗铆钉已经脱落，机组已处在相当危险的地步，一旦保持架失效将导致非常严重的后果。

棒电源发电机组参数:

发电机:

型号: TFW 454-4TA92

容量: 500 kVA

电压:260 V

电流:1 110 A

功率因数:0.2（滞后）

转速:1 500 r/min

负荷侧轴承型号:3G326

非负荷侧轴承型号:3G324

发电机转子负荷侧装有φ1 050×150 mm钢制储能飞轮。

电动机:

型号:Y368-9-4

功率:132 kW

电压: 380 V

电流:245 A

频率:50 Hz

转速:1 488 r/min

负荷侧轴承型号:NU324E C3

非负荷侧轴承型号:6320E C3

运行工况:

（1）两台机组为同一厂家同一批次生产。轴承也是同一制造商提供的合格产品（轴承的材质和加工工艺可认为是相同的）。

（2）两台机组所用的润滑脂是同一厂商提供的相同型号的润滑脂（三号锂基脂）。

（3）两台发电机组运行在同一房间内，温度25 ℃恒温，湿度小于80%。

（4）两台发电机组并联运行因此负载相同，运行时间也相同（25个月约18 000 h左右，这其中包含了核电站的调试运行时间）。

（5）机组运行规范中规定:“轴承每运行2 000 h加注约40 g润滑脂”。

（6）1号发电机负荷侧轴承的注油通道在机组运行7 000 h左右时功能失效，因某些原因未能及时恢复其功能，9个月后才恢复了其有效功能，在此之后又运行了6个月才对机组进行计划检修。

停机前两台机组运行状态:

1号机组发电机负荷侧轴承振动值:垂直: 2.3 mm/s；水平: 2.8 mm/s。

2号机组发电机负荷侧轴承振动值:垂直: 2.0 m/s；水平: 2.3 mm/s。

1号发电机负荷侧轴承温度值:43 ℃。

2号发电机负荷侧轴承温度值:40 ℃。

在本案中两台机组不同之处是1号机组在运行期间有近6 500 h未能及时补充新的润滑脂。

原因分析:

从现场对1号发电机组解体检查情况看，在整台机组的4个轴承中只有发电机负荷侧轴承磨损最为严重，但是轴承的振动、噪声和温度变化并不明显，经分析研究初步认为有如下原因。

图3 1号棒轴承磨损Fig.3 No. 1 rod bearing wear

图4 2号棒轴承磨损 Fig.4 No. 2 rod bearing wear

图5 磨损颗粒Fig.5 Wear particles

（1）在发电机转子负荷侧装有φ1 050×150 mm钢制储能飞轮，发电机负荷侧轴承由于储能飞轮的存在使它所受的径向力远远大于其他部位的轴承，而原动机与发电机是采用尼龙棒弹性连接，所以储能飞轮的径向扰动对原动机轴承的影响相对较小。发电机负荷侧轴承不仅要承担发电机转子的径向负载，还要承担储能飞轮的径向负载，所以发电机负荷侧轴承滚道上的润滑脂所受的碾压力和剪切力也就非常大。发电机负荷侧轴承的保持架是兜式黄铜保持架，它的优点是在轴承运行时保持架对轴承滚动体本身的磨损较小、噪声较小和导热性好。缺点是这种结构的保持架使轴承室和滚道上的润滑脂置换更加困难，不过这个不足之处是可以通过定期添加润滑脂来弥补，实践证明效果良好。

（2）1号棒电源机组发电机负荷侧轴承由于在运行期间轴承的注油通道出现故障，在此期间（约6 500 h）无法对轴承进行定期添加润滑脂。由于没有新润滑脂的补充和置换，原有的润滑脂长期运行后润滑性能下降，当润滑性能下降到一定程度后，轴承各运动表面便会发生金属摩擦。由于轴承钢的硬度远远高于黄铜（保持架），所以首先被磨损的是保持架，又因为这种磨损是非均匀磨损，再加上离心力的作用，使保持架产生单边磨损现象，并由此产生了大量的黄铜磨粒，造成轴承（保持架）过早磨损现象。磨粒又进一步破坏润滑油膜，使轴承的润滑状态劣化从而形成恶性循环，最终导致轴承的严重磨损。

（3）轴承钢（滚动体和滚道）的硬度远远高于黄铜，黄铜的金属延展性又非常好，所以黄铜磨粒在滚道上被滚动体碾压后对滚道和滚动体本身的损伤较小，但它严重地阻碍了润滑油膜的形成和破坏了油膜的持续稳定性，加快了润滑脂的劣化速度。但此时的润滑脂还没有完全丧失润滑作用，这就是机组在运行期间振动值、噪声和温度没有发生明显变化的主要原因。

（4）润滑通道故障消除后，新加入的润滑脂将轴承滚道上已劣化的润滑脂和部分颗粒置换出来并排到溢油室内。虽然这时轴承得到了重新润滑，但保持架所受到的损伤已是不可逆转的了，受损保持架的动平衡已经被破坏，而保持架在离心力的作用下依然处在非正常的磨损状态下，此时加入新润滑脂只能起到减缓轴承（保持架）损伤进程的作用。

在轴承正常工作状态下，润滑脂所形成的油膜只有若干个分子那么厚，大约0.3 μm左右，各运动部件在这种油膜上发生滚动和滑移运动，如果润滑条件良好是足以防止轴承各金属部件发生直接接触的。如果润滑油膜厚度不足，就会发生金属与金属的相互接触，使得轴承承载表面的凸体峰尖之间发生冷焊现象。此时接触部位的剪切力能达到使表面形成裂纹的程度，这些裂纹逐步向材料内部扩展，并使接触面出现开裂。如表面光洁度良好和润滑得当就不会出现这种现象。

从轴承的失效现象看，轴承的接触疲劳程度决定了轴承的使用寿命，但是接触疲劳程度与润滑脂的劣化速度有着密切的相关性。

4 改进轴承润滑的措施和方法

（1）改进检修过程中润滑脂的加注方式

在电机检修的过程中，由于检修场所受环境和场地等因素的影响，使润滑脂很容易受到外界的污染，尤其是传统的开放式润滑脂加注方法。因此在轴承安装和润滑脂加注时应注意采取防尘和防潮措施，应采用直接加注方式，即将润滑脂用注脂油枪把润滑脂从包装容器内直接注入轴承和轴承室，这样可以避免二次污染。这样做的目的是减少润滑脂暴露在空气中的表面积和暴露时间，这也就大大减少了被颗粒污染和形成凝结水的机会，保证了润滑脂的洁净。

（2）定期加注润滑脂

当轴承运行一段时间后，由于润滑脂的退化，润滑油膜厚度及性能也随之下降，其油膜厚度只是新油脂的70%左右。当轴承接触部位的润滑脂内部的基础油因蒸发、氧化而消耗减少时，必须补充新的润滑脂，将劣化的润滑脂置换出来（加注量由具体设备而定)。当新油脂加注后，一般情况轴承温度会有所上升。润滑脂最佳工作温度为45～55 ℃，当新油脂加注后多余和劣化的润滑脂会从溢油槽排到溢油室内，润滑脂添加运行3～6 h后，当轴承室内外压力达到平衡时轴承的温度就恢复到正常水平。在溢油室内可以看到被挤出来的已劣化和多余的润滑脂（图6a、6b），照片中浅色润滑脂是新加的多余润滑脂，而深色的则是已劣化和带有杂质的润滑脂。

5 结束语

图6 润滑脂Fig.6 Lubrication

通过加强对设备的日常维护及在检修过程中对润滑脂加注方法的改进，我们取得了良好的效果，在这之后的几个燃料更换循环中电机轴承再未出现过此类故障现象，确保了核电设备的安全可靠运行。分析和研究滚动轴承疲劳损坏的机理，就是寻找它们的发展变化规律，我们把轴承的材料寿命和润滑脂的使用寿命整体地联系起来，在这个体系中如果哪个最薄弱的环节发生功能失效，都会使轴承无法正常的工作下去，从而使整个系统设备无法正常运转，这也就是我们常说的木桶效应。对设备薄弱环节采取一定的防范措施，是延长设备使用寿命确保设备安全的一项重要工作。

核电站的设备种类繁多、系统复杂，这就对核级电机的检修提出了更高的要求。核电站的检修工作，尤其是对一些关键和重要设备的电机检修，关系到电站的持续、安全、稳定运行。通过这个案例说明了在相同的负载条件下，不同的润滑状态对轴承使用寿命有着非常重要的影响。轴承的润滑工作是现场设备持续安全稳定运行的重要环节，也是保障设备可靠性的重要技术手段之一。正确、合理地对设备进行润滑能减少设备摩擦和零部件的磨损，延长电机的使用寿命，充分发挥设备的效能，降低设备的功能损耗，防止设备出现故障，保持设备良好的运行状态。相反，如果忽略了轴承的润滑工作，将会导致轴承润滑不当，必将加速轴承磨损，造成设备故障和事故频繁发生，加速设备技术状态的劣化。采取科学而有效的润滑方法是改善设备运行状态、消除设备隐患、减少故障、提高核电设备经济使用寿命的重要措施，是确保核电机组安全稳定运行的前提，也是提升我们检修工作质量的重要标志。因此，设备管理和维修人员都应当十分重视设备的润滑工作，充分认识到这项工作的重要意义。

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[2] 朱延彬. 润滑脂技术大全[M].北京:中国石化出版社.

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[7] 柴田正道等（日). 影响滚动轴承疲劳的各种重要因素[R].

Lubrication and lifespan analysis for key equipment motor bearings in nuclear power plant

CHENG Yi-yan，YANG Jie
（Qinshan Nuclear Power Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China)

In this paper，all factors influencing the service life of rolling bearing （hereinafter referred to as bearing) are analyzed，fundamentals of bearing lubrication are expounded，and reasons resulting in premature failure of bearing and the hazard are analyzed，by right of which the influence of bearing lubrication on the service life are revealed，the way to increase the bearing operation reliability and service life through improving the lubrication is discussed，and some referential experiences and methods are provided for future nuclear power equipment maintenance and repair.

nuclear-class motor；rolling bearing；bearing lubrication；bearing life

TK26

A

1674-1617（2009)04-0297-08

2009-04-27

程义岩（1964—），男，山东黄县人，技师，从事核电站电机检修和故障诊断分析工作。