低压安注泵及安全壳喷淋泵轴套擦痕问题的原因分析

2012-07-20郭逸

轴承 2012年3期

郭逸

(秦山核电有限公司，浙江海盐 314300)

日本福岛核电站发生核泄漏以来，全世界对核电站专设安全设施的可靠性更加关注。方家山、福清核电工程百万千瓦机组采用的是二代加改进型压水堆核电技术，安全注入系统和安全壳喷淋系统均为专设安全设施，对保证核电站在事故工况下安全停堆以及防止放射性物质向环境泄漏起到至关重要的作用。而低压安注泵(以下简称安注泵)、安全壳喷淋泵(以下简称安喷泵)则是安全注入系统和安全壳喷淋系统的核心设备，其安全可靠程度在很大程度上决定了系统的安全可靠程度，因此，对泵的设计、制造、检验、试验要求极高。

在方家山、福清项目中，安注泵、安喷泵由英国克莱德联合泵业制造生产，在安注泵、安喷泵性能试验后解体检查过程中多次发现，泵的6级水润滑导轴承均出现了不同程度的擦痕。轴套擦痕较多、较深，有些发生在轴套两侧或单侧，有些则大面积出现；而轴瓦中擦痕相对较轻。在此，对轴套出现擦痕的问题进行分析，以期找到改进办法。

1 泵的结构及参数

安注泵及安喷泵的基本参数见表1[1-2]。安注泵、安喷泵结构完全相同，为筒袋式结构，转子较长，由驱动轴(或称为上轴)、中间轴、泵轴组成，总长4 503 mm，轴与轴之间由卡套联轴器连接，整个转子由1套推力球轴承和6套水润滑导轴承支承。上轴由推力球轴承和1套水润滑导轴承支承，中间轴由1套水润滑导轴承支承，泵轴由4套水润滑导轴承支承，分别在3个叶轮和1个诱导轮处[3-4]。整个转子较长，属立式长轴系列泵，该系列泵的转子通常的问题是刚性较差，且水润滑导轴承属柔性支承，湿转子的刚性对导轴承的依赖性非常强，如果导轴承的液膜不稳定，甚至发生动静接触使得液膜完全破坏，则湿转子的刚性变差。从实践经验上看，这类长轴系列泵容易发生较大的振动并产生动静碰磨，甚至出现卡转子故障。

表1 安注泵、安喷泵基本参数

2 轴套存在的问题

安注泵和安喷泵在性能试验(包括汽蚀试验)、耐久性试验(20 h)后解体检查发现，所有的水润滑导轴承中配对的轴套与轴瓦均存在擦痕，轴瓦擦痕较轻，轴套擦痕较严重，如图1所示。

图1 安注泵解体后轴套外观图

3 原因分析

3.1 总体分析

从解体检查的情况看，轴套与轴瓦肯定发生了动静摩擦，并因此产生了擦痕。该类型泵早期使用在化工行业，因介质中含有大量的颗粒杂质，因此在设计时轴瓦与轴套采用了硬对硬的设计，以满足有杂质情况下的耐磨性。轴瓦采用的是不锈钢加衬碳化钨层(V7级)，而轴套采用的是不锈钢表面喷镀碳化钨(约20～40 μm)。由于该泵轴瓦的表面硬度大于轴套的表面硬度，因此，当发生动静摩擦时，轴套磨损更为严重。

从擦痕位置上看，上轴的1#轴套、中间轴的2#轴套擦痕较轻；而泵轴处的3#，4#，5#，6#轴套擦痕较严重。原因有两点：(1)泵轴距刚性支承点(推力球轴承位置)最远；(2)整个转子的载荷主要集中在泵轴处，3个叶轮和1个诱导轮均在泵轴上，在推力球轴承处发生较小的振动，经杠杆效应，放大到泵轴处，振幅比上轴和中间轴处大。

从擦痕的轻重程度来看，可以分成两类：(1)在轴套的两侧有擦痕，中间部位没有；(2)整个轴套有大面积的擦痕。

对于第1类情况，分析认为，在转动过程中，轴发生了倾斜(图2)，由于轴的倾斜及振动，在轴套与轴瓦的单侧或两侧处发生了动静摩擦，此时轴振动尚小，不足以使轴套与轴瓦产生全面的接触。

图2 轴倾斜示意图

对于第2类情况，轴不仅倾斜，而且摆幅较大，使得轴套与轴瓦产生大面积的接触，因而使轴套产生了大面积的擦痕。

当然，还存在混合情况，这是因为在同样的振幅和倾斜情况下，由于转子不同处跳动大小不同，造成有的地方两端发生动静接触，而有的地方则发生全面的动静接触。

3.2 轴倾斜的主要影响因素

影响轴倾斜的主要因素：(1)泵与电动机联轴器对中的问题；(2)卡套联轴器。

在实际试验中，对泵与电动机的联轴器对中进行了控制，但实际效果并不明显，对中控制对轴倾斜有影响，但不是关键性因素。

卡套联轴器结构如图3所示[3-4]，轴与轴之间传递扭矩的主要过程为：上轴→键+1个螺钉→套筒→键+1个螺钉→下轴，中间螺柱也承担传递扭矩的功能，由于无论是键槽配合还是螺钉螺柱配合，都是间隙配合，当传递的扭矩较大时，都可能产生轴的微小倾斜，因此，卡套联轴器的结构是造成运转过程中轴倾斜的重要因素。

1—套筒；2—中间螺柱；3，7—键；4—上轴；5—螺钉；6—下轴

3.3 轴摆幅过大的影响因素

对于上述第2类情况，关键的问题是轴摆幅超过了动静配合的间隙值。水润滑导轴承的动静配合间隙设计限值见表2[1-2]。

表2 水润滑导轴承的动静配合间隙

可以看出，这个配合间隙非常小，最小的诱导轮处水润滑导轴承的动静间隙单边仅为0.06～0.072 5 mm，泵轴的其他处也仅为0.075～0.087 5 mm，如果轴摆幅超过上述配合间隙值则会产生动静摩擦，影响轴摆幅的因素有轴跳动、轴动态挠度、振动引起的轴位移等因素。

3.3.1 泵轴转子跳动设计值偏大

泵轴转子跳动设计值为不大于0.08 mm。从理论上讲，如果泵轴转子跳动达到0.08 mm，无论振动多小，都会发生动静摩擦。从实际情况看，泵轴转子跳动最大可达到0.07 mm，由此可知，泵轴转子跳动设计值偏大。

3.3.2 转子静态刚性不足

根据泵的抗震分析报告，安注泵和安喷泵的横向一阶临界转速为3 762 r/min(62 Hz)，远大于泵的额定转速1 480 r/min(24.7 Hz)。理论上湿转子的刚性很好，但湿转子的刚性是基于水润滑导轴承的轴承效应，如图4所示[5-6]。在实际运转过程中，由于发生了动静摩擦，水润滑导轴承的液膜局部或完全破坏，则水润滑导轴承的轴承效应将大打折扣甚至丧失，湿转子的刚性将严重下降，转子的挠度将加大，此时需考虑转子的静态刚度。由转子静态刚度的经验公式得刚度系数为

图4 转子轴系示意图

式中：L为轴承中心距(近似等于泵轴长度，1 630 mm)；W为转子重量(1 640 N)；D为平均轴径(60 mm)，则计算得K=740。由图5可以看出[7]，对于转速为1 480 r/min的转子，K值应在350～750，且越小越好，越小则转子静态刚度越高，K=740说明转子刚度已处于允许值的下限。

图5 轴刚度系数和最大运行转速的关系曲线

3.3.3 泵实际振动偏大

安注泵和安喷泵的振动设计限值是，在额定流量工况下推力球轴承箱处的振动值不大于2.8 mm/s，而实测中振动的最大值达2.5 mm/s。由于放大效应，并且载荷集中在泵轴处，因此，泵轴处的振动值在4.0 mm/s左右。振动值与峰峰值的换算为[8]

式中：Si为峰峰位移值，μm；Vi为振动值，mm/s；fi为频率，Hz。以Vi=4.0 mm/s，fi=25 Hz，代入公式得Si=72 μm，故泵轴理论的最大摆幅=跳动值+峰峰值+动态挠度=0.152 mm+动态挠度，已远远超过0.06～0.072 5 mm和0.075～0.087 5 mm的单边间隙，因此，发生动静摩擦在所难免。

4 改进措施

4.1 制造方面的改进

(1)提高转子动平衡标准，从G2.5提高到G1甚至G0.663，从理论上改善转子的振动情况，振动烈度有望控制在1.5 mm/s，振动造成的轴摆幅则可以控制在27 μm左右；(2)提高转子跳动限值标准，如限制在0.03 mm以内。如能做到这两点，则转子总的摆幅将大幅降低，仅为0.06 mm左右，这样的轴摆幅则不会产生动静摩擦。