凝结水泵电机轴承温度高原因分析及处理措施

2020-08-05刘泽奇

仪器仪表用户 2020年8期

关键词：润滑脂定期电动机

张健，刘泽奇

（中核核电运行管理有限公司维修二处，浙江海盐 314300）

百万千瓦级核电机组配置3台凝结水泵，正常工况下2台凝结水泵运行，1台凝结水泵备用。一旦某台凝结水泵出现故障不可用，将导致整个机组失去备用水泵。因此，凝结水泵是二回路凝结水系统的关键设备，对机组的安全稳定运行具有十分重要的意义。

方家山核电机组凝结水泵电机由上海电气集团上海电机厂有限公司生产，主要参数见表1。

1 电机轴承温度高故障现象描述

2015年5月13日，方家山1#主控触发了1CEX204KT“2#凝结水泵电机轴承温度-2高”报警，指示为84.5℃。通过在现场对凝结水泵电机非负荷侧轴承，用红外线测温仪实际测量温度已经达到90℃。为避免继续运行损坏电机，主控及时将2#凝结水泵电机停运切换至1#凝结水泵运行。

表1 方家山凝结水泵电机参数Table 1 Fangjiashan condensate pump motor parameters

为分析故障原因，检修人员将2#泵电机参数与3#泵电机参数进行了分析，发生故障时两台电机的运行曲线如图1、图2所示。

根据经验，正常工况下2#泵电机参数与3#泵电机参数应该基本相同，但从图中可以看出，2#泵电机故障时的轴承温度较3#泵电机有大幅增加，且2#凝结水泵电机在发生故障时仅表现为“轴承温度高”，电机振动、电机运行电流均未发生明显变化，具体参数见表2。

2 电机轴承温度高原因分析及故障定位

为了进一步查找故障原因，检修人员对故障电机进行了解体检查，从电动机机械故障、电气故障及轴承润滑情况三方面入手进行仔细地检查与测量，检查结果如下：

图1 2#凝结水泵电机非负荷侧轴承温度变化曲线Fig.1 2# Condensate pump motor non-load side bearing temperature change curve

图2 2#凝结水泵电机电流和振动变化曲线Fig.2 2# Condensate pump motor current and vibration change curve

2.1 电动机机械故障原因分析

根据2#凝结水泵电机机构，可能导致轴承温度高的机械故障主要有：

1）电动机端盖或轴承盖未装平：电动机端盖或轴承盖未装平会造成轴承内外圈不平行，致使轴承滚珠与滚道之间形成不均匀的夹角，从而产生某一点受力过大，运行中这一点就会导致摩擦而产生热量。

2）电动机与泵联接偏心：电动机与泵联接偏心，也就是电动机与泵的联轴器对中不良，这样就会造成电动机整个轴系震动大，轴承受力不均匀形成单边受力，增加了轴承局部的受力强度，造成轴承温度的迅速升高。

表2 两台凝结水泵电机运行数据对比Table 2 Comparison of operating data of two condensate pump motors

表3 电机机械部分配合检测数据Table 3 Test data of motor mechanical parts

表4 电机电气部分检测数据Table 4 Test data of electrical parts of motor

3）轴承内、外套配合过紧：轴承内、外套配合过紧，这种情况在电动机运行初期轴承温度反应的并不明显，但随着电动机运行一定时间后，轴承相应产生了一定的温升，这时由于热膨胀的效应，轴承的内外圈及滚珠发生膨胀，从而使轴承的正常游隙变小或消失，这时轴承的摩擦系数逐渐加大，造成轴承温度的快速升高。

针对上述3种可能原因，检修人员进行仔细的测量检查，确认电机端盖已安装到位、电动机与泵的联轴器对中良好、轴承与轴承室、轴承内圈与轴颈的配合尺寸均在装配要求范围内。各项具体测量参数见表3。

从检测结果分析，2#凝结水泵电机机械装配符合安装要求，无缺陷。因此，本次2#凝结水泵电机轴承温度高不是由机械故障引起。

2.2 电气故障原因分析

2#凝结水泵是三相鼠笼式立式电机，根据该电机的结构分析，可能引起轴承温度高故障的原因有：

1）绕组的直流电阻不平衡：绕组的直流电阻不平衡，造成定转子间有一定的电位差，它会在定转子间形成电流，从而在转子上产生轴电流，该电流只有通过轴承来泄掉。这部分热损耗是以轴承的温升高为代价的，绕组的不平衡量越大，轴承温度也就越高。

2）磁力中心线偏差：电动机定转子磁力中心线偏差能够造成电动机两端磁场作用不对称。电动机定子的磁场本身是对称的，但转子与定子的磁力线不垂直，这时转子随着电动机自找磁力中心线的特性而不停地向磁力中心线移动，但轴承已经是固定不可移动的，所以轴承这时在磁拉力的作用下，局部的摩擦系数增大，造成轴承发热。

针对上述两种可能原因，检修人员测量了绕组的直流电阻，并对电机转子与定子间的气隙进行了检查，确认三相直阻平衡、电机转子与定子间的气隙均匀，符合安装要求。各项具体测量参数见表4。

从测量结果分析，2#凝结水泵电机无匝间短路，电机定转子同心度较好，无缺陷。因此，本次2#凝结水泵电机轴承温度高不是由电气故障引起。

2.3 轴承润滑故障原因分析

对于脂润滑的轴承而言，润滑脂的油质、轴承室内的润滑脂添加量都会对轴承的运行状况及轴承寿命产生较大影响。当出现轴承润滑故障时，会导致轴承温度异常升高，高温会促使轴承室内的润滑脂迅速变干变硬，从而使轴承的润滑状态变坏。润滑故障一般由以下原因引起[3]：

1）轴承润滑脂内含有大的固体颗粒杂质：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，造成表面粗糙，增加轴承的摩擦力。还有一种情况就是油脂中含有水分，水和润滑脂起水解反应，释放出活性酸腐蚀轴承金属；水直接腐蚀金属，使轴承表面生锈而产生蚀坑和蚀斑。

2）润滑脂过少：润滑脂过少时会使轴承的润滑状态变差，导致轴承的滚珠与滚道之间无法形成稳定的油膜，造成轴承润滑不良，使轴承的滚珠与滚道产生金属直接摩擦，使轴承温度异常升高。

3）润滑脂过多：过多的润滑脂会堵塞轴承室的散热空间，降低了散热效率，使轴承正常运转所产生的热量无法及时散出，导致轴承温度升高。

通过对2#凝结水泵电机解体检查，发现非负荷侧轴承及轴承挡油盖内存有大量润滑脂（轴承内外滚道间润滑脂填满，已无空隙且轴承与挡油盖之间的空隙已由润滑脂形成凸起的隔离带）并且已经硬化，并伴有结焦现象（见图3(a)、图3(b)），轴承泄油管内无润滑脂，轴承滚道表面有金属剥落现象。从解体观察的现象分析，轴承润滑脂添加量过多、轴承润滑脂含有大颗粒杂质可能是导致此次2#凝结水泵电机轴承温度高的主要原因。由于该电机在之前运行过程中无振动和异音超标及润滑脂乳化现象，可以基本排除润滑脂含杂质的可能性。由此，可以推断，轴承润滑脂添加量过多是引起电机轴承温度高的根本原因。

图3 (a) 电机轴承室内油脂情况Fig.3(a) Grease situation in the motor bearing room

图3 (b) 电机轴承室内油脂情况Fig.3(b) Grease situation in the motor bearing room

综上所述，此次2#凝结水泵电机轴承温度高的故障与电机机械故障及本身的电气故障无关，导致轴承温度高的根本原因是轴承室内润滑脂添加量过多。

3 造成电机轴承润滑脂添加过多的主要原因

根据实践经验，造成电机轴承润滑脂添加过多的原因主要有以下几种：

3.1 轴承在初期加入了过量的润滑脂

设备供应商在轴承更换安装时的初始加油量，大多在设备维修手册上是找不到的，但设备供应商出于保守考虑，在新轴承安装时的初期加入润滑脂的量要远大于轴承实际的消耗量。这在轴承的跑合阶段影响了油脂滚动渠道的形成，大量的油脂在滚道里被反复搅动，再进行周期补油时，会引起运转中的温度波动，很容易造成轴承温度急剧上升后居高不下。

3.2 运行过程中对轴承添加润滑脂频度过高

在凝结水泵电机运行过程中，会定期触发出给电机定期添加润滑脂的工单。但是这个定期触发周期相关部门可能没有经过科学的计算和实际论证，这就造成了定期添加润滑脂频度过于频繁。添充的油量往往大于消耗的油量，轴承里的润滑脂随着运行时间或自然时间的累积，或因老化，或因堆积过多，这就容易造成轴承温度的上升。

3.3 轴承润滑脂添加量

定期添加润滑脂的工单按计划触发出来，检修人员按照工单下达日期对电机进行定期添加润滑脂，但实际添加润滑脂的量也没有一个量化标准，只能靠当天添加润滑脂检修人员的经验去量化。但每次添加润滑脂的检修人员不是同一人，工作经验也是参差不齐，加油设备可能也是不相同的，这就容易造成添加润滑脂实际量过多，造成轴承温度的上升。

4 改进措施及改进效果

根据可能引起电机轴承润滑脂添加过量的原因，检修人员采取了有针对性的改进措施。

4.1 量化轴承的初始加油量

目前，所能收集到的关于轴承检修安装中的初始加油量和日常补充油脂量，还没有一个通用的数字量化标准，其公式计算和体积的百分比的填加方法，也是建立在经验统计基础之上的，所给出的填充量也是一个范围之内的数量集合。因此，根据轴承型式、空间容积、旋转速度和润滑剂的种类不同，按照科学的计算方法来确定润滑脂添加量。

1）按轴承和轴承室的空间大小确定初始填充量

轴承润滑脂填充量的指标通常为轴承空间容量的30%～40%，以及轴承室空间容量的30%～60%。

根据轴承润滑脂的允许极限转速n0和轴承实际工作转速n的比值来确定初始填充量。

首先，将润滑脂填满轴承内部。此时，保持架引导面也要塞进润滑脂；然后，对除外壳内部的轴及轴承之外的空间容积按以下量填充润滑脂[1]：

当n0/n≤1.25时，建议润滑脂填充量占轴承内部自由空间的1/3。

当1.25＜n0/n≤5时，建议润滑脂填充量占轴承内部自由空间的1/3～2/3。

当n0/n＞5 时，建议润滑脂填充量占轴承内部自由空间的2/3以上。

润滑脂的填充要按设计量注入，还要在轴承室空间合理分配。轴承室空间由轴承腔，内、外轴承盖间三部分组成。润滑脂应尽量分配在轴承腔和能与轴承包络的面上，填满滚珠和滚道之间。在轴承与内、外轴承盖之间，润滑脂要填满其空间的1/3。

2#凝结水泵电机用的润滑脂为3#锂基脂，符合要求。经查询，3#锂基脂的n0≤4500r/min，凝结水泵电机转速为1490r/min，n0/n=4500/1490=3.02；根据当1.25＜n0/n≤5 时，建议润滑脂填充量占轴承内部自由空间的1/3～2/3，所以对2#凝结水泵电机非负荷更换新轴承后，初始油脂添加量为轴承内部自由空间的1/3～2/3。

图4 定期添加润滑脂时间间隔计算曲线Fig.4 Calculation curve of the time interval ofadding grease regularly

2）确定润滑脂定期添加的间隔时间

秦山核电320MW机组在2005年已制定了定期润滑管理制度，并取得了良好实践。按电动机组运行状况、运行环境、机组轴承型号，制定轴承润滑管理计划，提高设备运行的可靠性。

秦山核电1089MW机组在此次凝结水泵轴承温度高缺陷处理后，关于轴承定期添加的周期间隔，将继续延用秦山核电320MW机组的良好实践。根据SKF轴承厂商提供的计算图表，推算如下[4]：

图4中，绿线所指的是秦山核电厂高压电动机较为常用的6字开头型号的轴承补充油脂所需的间隔时间；红线所指的是方家山凝结水泵电机此次发生温度高的7字开头的推力轴承补充油脂所需的间隔时间。

方家山凝结水泵电机此次发生温度高的非负荷侧轴承为SKF轴承，型号为7330BCBM，轴承内径为150mm，电机的额定转速为1490r/min。可以确定此设备的添加润滑脂间隔周期为3500h。在凝结水泵电机的轴承运行中，当轴承运行温度超过70℃时，每增加15℃时，补充油脂的间隔时间需要减半[2]。

方家山凝结水泵电机的轴承运行温度均低于70℃，可参照3500h执行。

4.2 确定润滑脂定期添加的使用量

在定期添加油脂的间隔周期确定后，根据SKF轴承油脂使用量的经验公式，计算轴承定期添加的润滑脂脂份量：

G=0.005×D×B （g）

G——需添加的润滑脂数量（g）。

D——轴承外径（mm）。

B——轴承宽度（mm）

由SKF轴承手册查询7330BCBM轴承参数：D=320mm；B=65mm

G =0.005×D×B=104 g

4.3 改进效果验证

根据以上计算结果，确定了2#凝泵电机的轴承润滑脂初装量为轴承空间的1/3，润滑脂添加频度为3500h，运行期间的单次添加量为104g。按照这一要求，检修人员更换了2#凝泵电机轴承，并重新添加新的润滑脂，电机回装后通电带载试车2h，经连续监测确认电机轴承温度、振动、声音等各项指标正常。目前，2#凝泵电机已连续运行超过240h，未发现轴承温度异常升高的现象。