方家山核电站凝结水泵电机轴承温度过高的原因分析

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(中核核电运行管理有限公司，浙江　海盐　314300)

凝结水泵电机(以下简称凝泵电机)为1800kW、6kV中压供电的大型电机，是核电站二回路系统中的重要设备，它的运行可靠性直接关系到机组的安全稳定运行，电机轴承是电机唯一的动、静链接部件，该轴承是一个对材质、加工工艺和加工精度都要求非常高的精密机械部件。电动机在运行过程中轴承将承载电机额定输出转矩(轴向和径向载荷)所带来的冲击，电动机在启动和负载变化过程中还会承受一定量的过载力矩和冲击力矩。统计资料显示电动机的故障中轴承的故障就占了其总量的50%以上，因此轴承的可靠性直接影响着电机的运行安全。在方家山核电机组实际运行中，时有发生轴承未达到其使用寿命就发生温度过高、振动过大从而导致停机的现象。

本文通过具体的案例分析及综合对比，找出了导致电机轴承温度过高的主要原因，通过升级润滑脂来有效的改善轴承的润滑状态，延长轴承的使用寿命确保设备的安全可靠的运行。

1　案例分析

方家山核电站1号机组凝结水泵(B)电机故障处理如下所述。

1.1　凝泵电机的主要参数

1)型号：YLKS560-4功率: 1800kW电压：6600V转速：1490r/min；

2)安装形式：V1(立式);

3)非负荷侧轴承：7330BCBM(单列角接触轴承)润滑脂：3号锂基脂；

4)润滑脂更换周期：4000h加润滑脂期限：1000h加脂量：300g；

5)负荷侧轴承：6232M/C3润滑脂：3号锂基脂；

6)润滑脂更换周期：4000h加润滑脂期限：1000h加脂量：120g；

7)制造厂：上海电气集团上海电机有限公司。

1.2　设备运行背景

方家山核电站1号机组共有3台凝结水泵电机(两用一备)，设备负载正常，周围无高温热源，环境温度为正常室温，湿度为正常的大气湿度，无有害气体，无粉尘及其他有害化学介质。

1.3　事件经过

2015年5月13日17:37分，B泵电机非负荷侧轴承温度过高(超过95℃)导致B泵电机跳闸停机，备用A泵投入运行。这样就导致1号机组凝泵无热备用设备，给机组的安全运行增加了风险。B电机从启机运行到故障跳机累计运行时间为；3262h，此时其他两台电机此时的运行时间分别为；A泵电机2577h，C泵电机2327h(运行记录)。 图1为B泵电机跳机时及A泵电机启动时轴承和绕组的温度状态。

图1　B电机故障停机及A电机启动时轴承和绕组的温度变化趋势Fig.1　The temperature of the bearing and winding change trend

就这3台电机就运行时间而言，B电机运行时间相对较长(相对A和C电机)。

现场对B泵电机非负荷侧轴承进行解体检查：

1)轴承润滑脂已经发黑结块，润滑脂失效(见图2)；2)轴承滚珠和滚道表面已经出现过热发蓝现象并伴有连续性擦伤和挤压痕(见图3)；3)保持架完好但已有磨损痕迹(见图4)。

在电子显微镜下B电机轴承状态：1)电机非负荷侧轴承滚子表面;有犁沟(见图5)、挤压(见图6)、擦伤(见图7)等痕迹；

2)电机非负荷侧轴承滚道表面：有高温蚀点(见图8)、表面疲劳脱落(见图9)、犁沟磨损(见图10)现象。

从以上轴承的磨损情况看，轴承已经基本处在润滑失效状态下运行，摩擦表面磨损严重从而导致轴承温度快速升高。这种情况已经十分危险，如果再继续发展下去很快就会使轴承失效，导致电机烧毁的严重的后果。

图2　B电机非负荷侧轴承Fig.2　Non-driven-end bearing(B)

图3　B电机非负荷侧轴承滚珠Fig.3　Non-driven-end bearing bal(B)l

图4　B电机上轴承保持架Fig.4　Non-driven-end bearing retainer(B)

图5　B电机非负荷轴承滚子表面梨沟痕Fig.5　Ball bearing surface traces(B)

图6　B电机轴承滚子表面挤压痕迹Fig.6　Ball bearing surface traces(B)

图7　B电机非负荷侧轴承滚子表面擦伤Fig.7　Ball bearing surface scratching(B)

图8　B电机轴承滚道表面高温蚀点Fig.8　Bearing race way corrosion point(B)

图9　B电机轴承滚道表面脱落 Fig.9　Bearing raceway fall off(B)

图10　B电机轴承滚道表面梨沟Fig.10　Bearing raceway of traces(B)

通过对B电机的抢修，对上轴承和润滑脂(3号锂基脂)进行了更换并重新投入运行。5个月后(11月份)对该电机再次进行解体检查，发现上轴承润滑脂劣化问题再次出现(见图11)。下轴承润滑脂劣化也十分严重(见图12)。此时B电机上轴承仅运行了2100h，下轴承也只运行了5361h。

图11　B电机非负荷侧轴承(2100h)Fig.11　Non-driven-end bearing(B)

图12　B电机负荷侧轴承(5361h)Fig.12　Driven-end bearing(B)

2　原因分析

2.1　引起轴承温度高可能的因素

(1)轴承的DN值：223500<350000，轴承适合油脂润滑形式。

(2)轴承缺陷

电机在其出厂试验和现场调试试验时运行都很正常，在之前运行的5个月里，非负荷侧轴承的运行温升18℃，实际温度均未超过57℃。其振动、噪声都在合格范围内，基本可以排除轴承本身存在的缺陷。

(3)润滑脂使用不当或添加过量

制造厂名牌上标注的是：3号锂基脂，未曾更换。

润滑脂的添加严格按照检修规程进行添加，前期轴承运行温度正常，说明润滑脂添加量是适当的。

(4)轴承配合公差尺寸

符合国家滚动轴承配合标准(GB/T 275—2015)

(5)润滑脂选用

经过排查和现场的实际情况分析，以上4点基本可以排除。从现场对电机的解体情况看轴承的润滑脂已经失效，从轴承的滚珠、保持架、内、外滚到的表面损伤情况看是属于润滑不良造成的损伤(有挤压、擦伤和犁沟等严重磨损迹象)，有可能是现有的这款润滑脂不适合这台电机的运行工况，使的润滑脂过早的失效。

2.2　轴承的结构及润滑机理

轴承是由内滚道、外滚道、滚动体、保持架所组成，轴承在正常工作时，轴承的各个部件都处在相对运动状态，两个相对运动的表面就构成了一对摩擦副。有运动就有摩擦，有摩擦就有磨损。磨损就会造成部件的尺寸超标，从而导致部件的功能丧失。为了减少摩擦、磨损就要求对各相对运动部件的接触面进行有效的润滑，润滑是降低摩擦减少磨损最有效的手段。润滑就是利用润滑剂的流动性进入摩擦表面之间，当两个金属面相互作用时，在压力和速度的作用下润滑脂中的基础油被从润滑脂中析出，析出的基础油就在摩擦副表面形成一个微米级的吸附润滑油膜，这个油膜具有很强的法向承载力(可达GPa量级),同时这个油膜有很低的抗剪能力，从而起到了隔离摩擦表面即润滑作用，润滑不仅可以减少了摩擦阻力、降低材料的消耗和磨损，同时降低了摩擦副表面的温度，延长了润滑脂的寿命，确保零部件的可靠性。

2.3　滚动轴承的故障寿命全过程

滚动轴承故障寿命全过程(见图13)，这个过程可分为如下几个阶段；磨合阶段(Ⅰ),稳定磨损阶段(Ⅱ1+Ⅱ2)、故障初始阶段(Ⅲ)、轻微故障阶段(Ⅳ)、宏观故障阶段(Ⅴ)、故障最后阶段(Ⅵ)、设备损坏点。

图13　滚动轴承故障发展示意图Fig.13　Rolling bearing fault development

1)轴承的磨合阶段(Ⅰ)：由于摩擦副表面在加工时有一定的微观毛刺和缺陷，在这个阶段微观凸峰相互碰撞、挤压而产生较大的摩擦和磨损量，随着微凸峰的磨损和塑性变形，使得摩擦副表面的形态逐渐改善，表面压力趋于稳定、摩擦系数和磨损量Q也逐渐下降，从而进入稳定磨损阶段(Ⅱ1+Ⅱ2)：摩擦表面经过磨合后达到稳定状态，磨损率保持基本不变，这是滚动轴承的正常工作阶段，也是滚动轴承的工作寿命时间；

2)故障初始阶段(Ⅲ)：在交变应力作用下当表面损伤累积到一定程度就导致材料结构和性能的改变，而形成摩擦副表面形成微观的金属疲劳、裂纹、磨损，这个阶段磨损量会有所增加，这是一种微观现象；

3)轻微故障阶段(Ⅳ)：当摩擦副表面微观缺陷发展到一定程度时，摩擦副表面会有一些宏观痕迹，并伴有微量的磨粒的产生，表现出轴承运行时噪声增大，但是振动和温度变化不大；

4)宏观故障阶段(Ⅴ)：摩擦表面宏观缺陷明显增加并有扩大的趋势，轴承的运行噪声增大，振动和温度均有明显增大的趋势，磨损量迅速增大；

5)故障最后阶段(Ⅵ)：轴承的运行噪声、振动、温度都迅速增高接近或超过警戒阈值；

6)设备损坏点；轴承卡死、散架、失效，给设备造成灾难性破坏。

轴承的正常寿命曲线是；O～a,当轴承进入轻微故障阶段(Ⅳ)和宏观故障阶段(Ⅴ)时，需要更换轴承和润滑脂。在这O～a个过程中润滑脂始终处于正常工作状态。如果轴承在进入稳定磨损阶段(Ⅱ1)轴承润滑就失效，其轴承寿命曲线就变成O～a1，这样轴承使用寿命大为减少，影响到设备的使用安全。

2.4　3号锂基脂润滑脂失效过程及高温分析

电机出厂时轴承添加的是3号锂基润滑脂，这种润滑脂是单皂基润滑脂；是由12-羟基硬脂酸、硬脂酸、氢化蓖麻油锂皂稠化矿物油构成，稠度为3，这是一款轴承通用润滑脂，工作温度在120℃以下。

凝泵电机的上轴承的主要载荷是由：电机的轴向负载(转子重力载荷+电机的轴向磁拉力+水泵的部分轴向载荷)和电机的经向负载载荷组成。因此上轴承在运转时，由于负载和转速的作用在轴承滚子与滚道之间的载荷区中会产生很高的压强，当润滑脂进入载荷区域时在速度和压力的作用下将基础油从润滑脂中析出，基础油中的极性分子与金属基体表面的电子发生交换而产生化学结合力，使得极性分子定向地排列在固体表面上形成吸附现象，从而形成一层化学吸附膜，这个化学吸附膜具有较高的吸附热(物理吸附热为4.2～42kJ/mol,化学吸附热为42～420kJ/mol，其熔点为120℃(也是润滑脂工作的承载温度)。这个保护膜具有很高的法向承载力及很低的抗剪能力。它的承载温度是120℃以下。轴承滚子在滚道上的承载区域理论上是点接触，由于电机的负载作用，使得滚子和滚道在承载区域内发生动态弹性变形，承载区的接触面由点接触转化成面接触。在承载区域的接触面上润滑脂将受到很高的法向压力和切向剪应力。

滚子在滚道上高速运动时，将会存在两种运动模式：滚子的自旋运动和滚子与滚道之间的相对滑动运动，在轴承正常润滑状态下滚子在滚道上以自旋滚动为主，滑动分量很小。由于滚子的曲率﹥滚道的曲率，滚子在滚道上高速运动时析出的基础油就会在它们之间产生收敛型油楔，从而形成有足够压力的流体膜，这个流体膜将两个金属表面分隔开来，形成流体动压润滑。由于负载的作用使得滚子与滚道之间的润滑处于流体动压润滑和边界润滑状态。又由于基础油(矿物油)是从石油中提取的，它含有一定的杂质且其分子链长短不一，它的化学稳定性相对较差，因此它的粘温指数和耐热能力相对较差。随着运行时间的延长，基础油的长链分子相互缠绕和断裂，分子链极性将逐渐减弱也会使润滑油膜变薄，当基础油的油膜厚度下降到一定程度时，两摩擦副表面上的微凸峰就会相互挤压、碰撞。这种现象导致摩擦副表面温度升高。温度的升高促使基础油氧化→稠化剂长链分子断裂→稠化能力下降→润滑脂氧化速度加快→润滑脂酸度升高→基础油与稠化剂的亲和力下降→润滑脂稠度进一步下降→导致基础油析出后很难回复→基础油的流失使润滑能力下降→摩擦系数增加→导致摩擦副温度上升→润滑脂的润滑性能进一步下降→润滑失效，这一过程是一个恶性循环过程。这也就表现出轴承在刚开始几个月轴承温度是正常(润滑正常)，到后期轴承温度迅速升高(润滑失效)的主要原因。由于润滑脂劣化严重新添加的润滑脂也很快被污染、劣化。当出现润滑脂严重劣化这种情况时新添加的润滑脂已经没有太大的意义，由于润滑脂的失效导致轴承的温度迅速升高，从图3可知滚珠已经因高温发蓝，高碳铬轴承钢发蓝的温度在145℃以上，这个温度足以使润滑脂的化学吸附膜丧失其功能。在这个温度下即使新添加的润滑脂也会在短时间丧失润滑功能。在无润滑状态下轴承受到了严重磨损(图5～ 图10)。

用来监测轴承的温度探头是设置在轴承套外圆的位置上，不能反映轴承内部的实际温度，其外部与内部间的温度按经验折算相差25℃左右，而摩擦副表面的温度则会更高些。初步认为导致轴承温度过高的主要原因；是3号锂基脂的理化性能相对较低所造成的，在2015年11月，对A、C电机也进行了解体检查时，发现润滑脂已经接近失效。而5月份对B泵电机抢修时，更换新的轴承和润滑脂(依然添的加3号锂基脂)，在经历4个月运行后(11月份)，再次对B电机再次进行解体检查，依然出现了润滑脂劣化问题。对A、C电机也进行了解体检查时发现润滑脂也已经接近失效状态。

2015年11月，对3台凝泵电机进行解体检修：

(1)A电机累计运行时间为5349h。

1)电机非负荷侧轴承润滑脂已经发黑硬化(见图14、图15)。2)负荷侧轴承润滑脂发黑变硬(见图16)。

(2)C电机共累计运行时间为5099h，发现其润滑脂劣化程度和A电机基本相同(见图17、图18)。两台电机非负荷侧轴承的滚子同样都受到严重的磨损(见图19)。

图14　A电机非负荷侧轴承Fig.14　Non-driven-end bearing(A)

图15　A电机非负荷侧轴承油盖Fig.15　Non-driven-end bearing end cover(A)

图16　A电机负荷侧轴承Fig.16　Driven-end bearing(A)

图17　C电机非负荷侧轴承Fig.17　Non-driven-end bearing(C)

图18　C电机负荷侧轴承Fig.18　Driven-end bearing(C)

图19　非负荷侧轴承滚珠Fig.19　Non-driven-end bearing ball(A/C)

由此看来，这3台电机所表现出的现象是一个共性的问题，可以初步判断3号锂基脂不适用于这3台电机的运行工况。

根据这3台电机的结构和运行工况，通过分析和筛选。重新选择了一款复合极压锂基脂。

3　极压复合锂基脂的结构、功能和作用

通过分析对比我们选用含有极压剂的复合锂基脂，复合锂基脂；是由复合锂皂基稠化合成基础油，并含有抗氧化剂和极压添加剂所构成的润滑脂，润滑脂的工作温度可达150℃以上。

极压复合锂基脂组分特征如下：

(1)合成基础油

1)合成油：是一款人工合成的基础油，基础油里基本不含杂质，其分子链短而且整齐不易缠绕，并具有较强的极性。因此其理化稳定性好，具有较好的耐高温性能；合成油热安定性好，热分解温度高，闪点及自燃点高，具有有较高的使用温度，工作温度可在150℃以上；

2)具有良好的黏温性能：黏温指数高；

3)具有较低的挥发性：合成油是一种纯化合物，沸点范围较窄。

(2)稠化剂(复合锂皂基)：由 12-羟基硬脂酸锂与复合剂中低分子有机酸盐在一定的条件下共结晶而成，其特点：

1)滴点明显高于锂基脂，一般大于260℃，比锂基润滑脂的滴点高出100℃左右，高温下依然具有一定的稠度，普通锂基脂在204℃下稠化剂就失去稠化作用，基础油析出后就流失掉了，而复合锂基脂在这个温度依然相当稠，实验资料显示当温度达到315℃时，表面稠度还大于1Pa·S其稠化性能远高于单皂基；

2)具有良好的抗氧化性；复合锂基脂在190℃条件下烘烤200h基本不发生氧化反应，而锂基脂在这个温度下却发生严重的氧化反应，这说明复合锂基脂具有很强的抗氧化性能。理化特性比较稳定，这样的润滑脂它的粘温指数会更高，耐热性和抗氧化性更好，其综合化学性能更稳定；

3)具有良好的机械安定性及抗剪切能力；由于采用的基础油是合成油，其分子链较短且整齐，极性较好，由于采用的是合成工艺技术所以基础油里基本不含杂质，因此它的机械安定性和抗剪能力较强；

4)具有较长的轴承运转寿命；在相同的试验室条件下(转速10000r/min,轴承温度120℃)，复合锂基润滑脂的寿命是大于1000h,而普通锂基脂的寿命只有450h左右，两者相差一倍多。

(3)添加剂

为了增加润滑脂的边界润滑能力，以降低摩擦，防止胶合和犁沟磨损，通常在润滑剂中添加极压剂(extreme pressure and antiwear)，它含有S、P、CL化合物制成，它们与摩擦副金属表面在一定的温度和压力下起化学反应，在摩擦副表面形成一层光滑的化学反应保护膜，这层膜将两金属表面隔开，这层保护膜抗压能力极强，抗剪强度比基础金属要低，当压强达到一定极限时油膜破裂，防止金属表面烧结，保护了金属表面。这样就有效地控制了摩擦副表面温度，为新的油膜建立创造了条件，因此它能起到更有效的润滑效果。

3.1　温度对润滑脂失效的影响

在轴承运行的过程中，温度对轴承润滑失效起着十分重要的作用。在轴承润滑失效之前和失效过程中，温升总是显著增加，温度是润滑失效的关键因素。由于3号锂基润滑脂的性能指标相对较低，随着运行时间的增加由于基础油内部分子的相互作用和外部摩擦，使得温度逐渐上升，当温度超过50℃以上时，基础油的氧化速度开始加快，由于润滑脂氧化使得润滑脂的酸度增加，这样润滑油膜的厚度便会逐渐下降。油膜变薄会增大润滑油膜内部的剪应变率和金属表面的摩擦接触，这样就导致温度进一步的升高。温度上升会显著降低基础油的粘度，由于压力和黏度成正比，黏度的下降会导致润滑油膜承载力的降低，当摩擦表面的温度上升到120℃以上时，摩擦副表面的化学吸附膜将会失去作用，而后续的油膜又难以形成，失去润滑的轴承部件其运动表面摩擦系数显著增大，摩擦阻力也显著增大，这样导致轴承的滑动摩擦分量大幅上升，当两个表面在一起作相对滑动运动时，大多数参与摩擦相关的做功都转换成热能，导致温度迅速升高，过高的温度改变了滑动金属表面的物理、化学和力学等性能，由于摩擦表面失去了油膜的保护继而发生高温磨损，高温磨损主要分为；黏着磨损、氧化磨损和磨粒磨损三种，这三种磨损的磨损量很大，很快就会使轴承部件失效。因此通过观察轴承的运行温度可直接判断出轴承润滑状态。

而对于极压复合锂基脂来说由于其本身的基础油和复合锂稠化剂的性能都好于单皂基锂基脂，又由于复合锂基润滑脂中含有S、P、CL，在一定的温度和压力的作用下而形成了化学反应膜。当摩擦副的温度达到120℃以上时，当化学吸附膜失效后其化学反应膜依然可以稳定的工作，其工作温度达180℃以上。由于化学反应膜的存在，它给摩擦表面起到很好的润滑作用，同时也很好地控制了摩擦副表面的温度，确保了润滑脂的使用寿命。

3.2　新润滑脂的运行状态及跟踪调查

将3台凝泵电机轴承的润滑脂全部更换成复合极压锂基脂，电机自2015年11月28日投运至今，A、B、C每台电机累计运行时间均已超过4500h。从现场运行状态看设备运行平稳，具主控室数据反应这三台凝泵在这个运行周期里温度、振动都非常稳定未出现异常波动现象，且电机非负荷侧轴承运行温升只有11℃，实测轴承温度均在50℃以下，较上个运行周期运行温升18℃(轴承运行温度在57℃)均有所下降。说明这次轴承润滑脂的更换是成功的，效果是比较明显的。

4　结束语

在我们的实际工作中，电机轴承出现高温现象时有发生，轴承的温度过高其实只是一种表面现象，引发轴承温度高的原因有多种多样。遇到这样的问题必须通过分析其表面现象找出轴承发热的根本原因，只有这样才能在我们的检修工作中做到有的放矢从根本上解决问题。

随着现代工业的进步对设备可靠性要求越来越高，做好设备润滑工作就显得尤为突出。这起案例就是一个典型的润滑不良造成的设备故障。据统计资料显示约有50%以上的设备故障与润滑不良有关，做好设备的润滑工作不仅可以延长轴承的全周期寿命还能使设备的首次故障出现的时间得以延长，提高设备的有效利用率，降低维修成本，确保设备的运行安全，这些对我们核电企业来说有着更深远的意义。