某核电厂海水循环泵齿轮箱异物分析与处理

2020-02-26陈彰桥杜鹏程

设备管理与维修 2020年1期

刘肖，陈彰桥，杜鹏程，刘星

（福建福清核电有限公司设备管理处，福建福清 350318）

0 引言

某核电厂海水循环泵是循环水系统主要能动设备，将冷却介质海水增压后输送到凝汽器中，以冷却核电站二回路。海水循环泵为核电站关键敏感设备，主要包含混凝土蜗壳泵、6.6 kV电机、行星齿轮箱、润滑系统等。其中，行星齿轮箱为立式、双浮动、双斜齿、四行星结构。该设备于2014 年投产，在2018 年的一次检修中，发现循环泵齿轮箱的油品颜色较深，齿轮箱内部附着有黑色泥状物质（见图1）。设备用润滑油品为美孚DTE 重级循环系统油VG100。

为确保循环泵的安全运行，对齿轮箱异物原因开展试验分析，根据分析结果排查设备，找到了异物产生的直接原因与根本原因，并进行了处理。

图1 循环泵齿轮箱底部异物

1 试验分析方案

该设备所用的美孚DTE-重级循环系统油VG100，是L-TSA型汽轮机油，油品中含有适量的抗氧化剂和腐蚀抑制剂。汽轮机油的作用主要是润滑、冷却和调速，根据其作用特点，汽轮机油必须具备适宜的黏度、良好的氧化安定性和黏温性[1]。据此，制定检测分析方案为：①对比检测在用油和新油的黏度、黏度指数、酸值、元素和红外光谱图，以分析评估在用油的理化性能、磨损和污染情况；②通过铁谱分析、电镜能谱分析，检测油中异物的主要成分。

2 试验结果与分析

2.1 理化性能与元素分析

吸油纸擦拭齿轮箱后，挤压得到在用油样品，如图2 所示。新油外观为淡黄色，清澈透明无杂质；在用油颜色变深、浑浊有杂质，说明在用油可能存在氧化或杂质污染。

对比检测在用油和新油的黏度、黏度指数、酸值、元素和红外光谱图。表1 是油品理化性能检测结果，在用油的黏度、黏度指数、酸值与新油相比无明显变化，说明在用油在使用过程中性能较为稳定，未出现严重氧化变质情况。

油品受到红外光照射时，油分子吸收一部分能量，并将其转变成分子的振动和转动内能，不同的分子具有不同的振动和转动内能，因此就有不同的红外光谱图[2]。通过红外光谱特征峰的变化情况，可以跟踪油品中添加剂的消耗情况，从图3 红外光谱结果来看，在用油和新油的特征峰一致，说明在用油的添加剂消耗在正常范围内。

图2 样品外观

表1 油品理化性能检测结果

图3 红外光谱分析结果

通过元素分析（表2）发现，在用油存在磨损金属元素Fe，且含量远高于新油和标准限值，Fe 主要来源于设备轴承、齿轮等的磨损；此外，在用油中Si 元素含量高于新油，略高于标准限值，Si 为污染元素，主要来源于外界粉尘等的污染[2]。

表2 元素检测结果

2.2 铁谱与电镜能谱分析

对在用油进行铁谱磨粒分析，根据颗粒的类别、材质、尺寸、含量等确认油中黑色油泥状物质的主要成分，检测结果见图4。分析发现，在用油中主要为亮白色颗粒（图中①）、暗灰色颗粒（图中②）、粉尘（图中③），以及锈蚀颗粒（图中④）。其中亮白色颗粒为磨粒，而暗灰色颗粒可能为钢或铁氧化物。

为了进一步验证亮白色颗粒和暗灰色颗粒的成分，分别对这两种颗粒进行电镜能谱分析，检测结果见表3 及图5、图6。这两种颗粒的主要为Fe、O 元素，其中暗灰色颗粒的O 元素含量更高，主要成分为钢的氧化物。亮白色颗粒的Fe、Sn 含量较高，为齿轮或轴承的磨损颗粒。

图4 在用油铁谱磨粒图

表3 在用油电镜能谱分析

图5 暗灰色颗粒电镜能谱

图6 亮白色颗粒电镜能谱

2.3 试验小结

综上分析可见，在用油的理化性能指标正常，油品未出现严重的氧化变质。在用油中的异物主要为钢质磨粒及钢质氧化颗粒，此外还含有油泥、粉尘、纤维颗粒。

3 设备排查分析

根据分析结果，对设备油位、油温、磨损等开展排查。经排查，循环泵齿轮箱润滑油油位高度为330 mm，满足系统要求；对齿轮箱等进行目视检查，未发现肉眼可见的磨损。油温方面，在循环泵未启动时，齿轮箱的导向轴承、推力轴承的温度已升高到68 ℃左右（设备正常运行时，油温约为45 ℃），如图7 所示。据此认为，齿轮箱电加热器对润滑油进行持续加热，油温传导至轴承，而轴承位置离电加热器位置较远，可以推断电加热器温度应远高于68 ℃。

图7 齿轮箱轴承温度趋势

电加热器安装在齿轮箱圆筒内部，其作用是对润滑油进行一定温度范围内的加热。当温度探头输入的信号低于10 ℃时，其常开触点闭合，加热器启动；当温度探头输入信号高于18 ℃时，其常闭触点断开，加热器停止运行。对电加热器的逻辑功能进行验证，发现加热器设置了温度偏差值，加热器启动和停止的输入信号分别变为15 ℃、25 ℃，但是加热器逻辑功能正常，且改变后的输入信号不会导致加热器的持续加热。因此，判断温度探头未测得实际的油温，输入了错误的信号，可能与探头的安装不到位有关。

4 综合分析与处理

4.1 综合分析

在用油的理化性能指标正常，油品未出现严重的氧化变质。在用油中的异物主要为钢质磨粒及钢质氧化颗粒，此外还含有油泥、粉尘、纤维颗粒。当设备中出现油泥时，设备管理人员最关心的是导致产生油泥的因素，尽管有研究推荐采用红外、酸值变化、黏度变化等来推断油泥的产生原因，但实际常常出现运行油的所有性能均正常，但设备中仍有油泥生成的情况。而目前尚未就油泥的组成与生成条件建立确切的关联[3]。在用油中的钢质磨粒应该来自设备轴承、齿轮等的磨损。虽然对齿轮箱等进行目视检查，未发现肉眼可见的磨损，但由于油温升高，会导致油黏度升高，油膜变薄，摩擦副可能会产生轻微磨损[4]。

润滑油在工作时如果处于高温和高压环境，设备表面的过热点会引发润滑油的热降解，导致油泥沉积在过热点，不易被油流带走[3]。此次油泥沉着在加热器外部散热片上，随着润滑油循环，与磨粒等一起沉积在齿轮箱油箱底部，即黑色油泥状物质。综合分析认为，电加热器的局部过热是循环泵齿轮箱异物的直接原因；温度探头输入信号错误，导致电加热器持续加热造成局部过热，是导致循环泵齿轮箱异物的根本原因。