厂用水泵轴承冷却水变更

摘要：三门核电厂用水泵采用立式液下长轴泵，该泵使用AR材质的径向轴承、海水润滑。由于三门湾海水泥沙含量较高，直接采用高含沙海水潤滑冷却径向轴承，必将造成沙砾侵入轴承摩擦副导致磨损加速。本论文将针对轴承可能过早产生的磨损失效问题，考虑对该泵轴承润滑冷却水进行改造，将轴承润滑冷却介质从高含沙海水改为工业淡水，为今后该泵径向轴承过早可能产生的磨损失效问题的处理提供一个技改参考方案。

关键词：立式液下长轴泵;AR材质;径向轴承;含沙海水;磨损失效

三门核电AP1000单堆机组设置了4台厂用水泵为一回路设备冷却提供冷源，厂用水泵为立式液下长轴泵的结构，泵体总长17米左右。由多段筒体和轴组成，两级叶轮设计，径向轴承采用海水润滑的耐磨AR轴承。直接采用海水进行泵轴承润滑，会造成沙砾侵入轴承摩擦副从而加速磨损。本文将针对这一问题，在已有泵结构基础上提出一些小范围的改进设计方案，为今后处理此问题提供一个参考方案。

1 径向轴承失效机理

1.1 长轴的涡动

轴的涡动又称甩转，是转轴围绕某一偏离几何轴心的轴线旋转的运动。长轴机械在径向轴承间隙过大时非常容易产生轴的涡动。发生轴涡动后，要及时维修被磨损轴径或更换轴承，使轴和轴承间隙达到正常，如不及时更换磨损的轴套和轴承，径向轴承的磨损速度会加剧，轴容易弯曲，甚至造成更严重的断轴事故。

1.2 AR轴承在含砂海水中的磨损

三门湾海水泥沙含量为3.83～7.396kg/m3，杭州湾海水中泥沙的平均含沙量为2.5kg/m3，最大含沙量为4.22kg/m3。秦山核电等使用AR轴承的相关液下长轴泵，检修周期为12-18个月、个别泵不到12个月就需检修。在泵解体后检发现，径向轴承、轴套配合间隙超标，且表面均会出现犬齿状沟槽，与以上分析一致。

1.3 防止泥沙侵入轴承的措施

鉴于以上的原因，在设计输送含有磨粒介质的泵时，一定会考虑轴承/轴套与介质的兼容性，并会采取一定的方法避免介质直接与径向轴承接触。一般较常见的设计是设置泵轴护套管。护套管与每组轴承相连接，从而形成一个独立的腔室，再引入一股压力较高的清水来润滑和冷却轴承，且可以防止含杂质的介质侵入。综合以上可以推测：三门核电厂用水泵在今后的运行中，可能会按照以下的失效模式产生故障：由于设计之初未将径向轴承与含砂海水隔离，大量海沙进入径向轴承摩擦副;海沙做为磨粒，加速了AR轴承和双相不锈钢轴套的磨损，导致轴套表面粗糙，轴承间隙增大;粗糙的表面恶化了摩擦副的工作状态;轴承间隙达到某一临界值后，发生泵轴涡动，产生了附加的径向力，增加了磨损轴承以及相邻轴承的载荷，加速轴承的磨损;轴承磨损后，泵机组振动变大，运行可靠性下降，并可能造成更进一步的损坏。

2 总体改造方案介绍

针对上述的问题，为提高厂用水泵的运行可靠性，可以为各级径向轴承引入一股清水进行润滑冷却，并使清水的注入压力大于海水，从而防止含砂海水进入轴承。但由于厂用水泵已经设计定型，不可能做出太大的改动。综合多方面考虑和对若干备选方案进行对比后，最终选择以下方案：

叶轮级的导流壳及轴承支架处的轴承室采用轴护套管连接、所有轴承支架在其轴承室及筒体壁上打孔，增加注水管线，在各级轴承室上增设浮环密封结构，从而形成多个相对封闭的轴承腔室，并引入清水进行润滑冷却。注入水母管设置在泵筒体外侧，由小直径的支管为轴承供水。这个方案具有如下的优点：对原设计的改动最小，对水泵的性能没有影响;采用了成熟的材料和工艺;可以达到可靠的结构设计;可维修性高;所有涉及的机加工修改工作可在现场的现有机加工条件下完成;没有使用焊接方法，不会造成双相不锈钢耐腐蚀性能的下降。

2.1 浮环密封的优点

寿命长;安装、拆卸方便;浮环密封本身具有一定的泄漏量，有利于轴承散热;结构简单紧凑。

2.2 筒体外侧布管的优点

施工简单;不影响厂用水泵的维修工艺;改造成本低;结构紧凑，可靠。本改造对水泵的水力性能不产生影响。由于大量管件分布在泵筒体外部，不会对水泵的通流面积造成影响。

3 设计方案细化

3.1 浮环设计

浮环密封安装在需要密封的轴承两端，由新增加的压盖进行固定，压盖由螺栓固定在轴承室的端面上。浮环在压盖中可以沿轴向和径向自由运动。浮环内径与轴套之间为小间隙配合，泄漏量可以通过配合间隙的大小来控制。

3.2 轴承和轴承室的修改

为了保证轴承室内注入水的均匀分布，需要对轴承室和AR轴承进行一定的结构修改。在轴承室的内部中间位置，车削一个环形进水沟槽，注入水支管与沟槽连通。在AR轴承的对应高度位置开3-6个孔，保证进水均匀。进入轴承的冷却水流量可以通过注水孔的数量和直径来进行控制。

3.3 首级、二级导流壳增加护套管

在每级导流壳和其上部的轴承支架之间安装一个轴护套管，导流壳轴承室的下端面及上部轴承支架的上端面上各安装一个浮环密封，清水从轴承支架的轴承室内供入。

3.4 供水管线的布置

从安全性考虑，为尽可能保证供水系统的可靠性、降低风险，采取并联供水的方式，采用1根供水母管通过各分水支管对每个径向轴承单独供水，确保冷却水供给独立性，并且可以简化管道布置。

3.4.1 轴承润滑冷却水供水压力、流量验证。

本论文从泵运行与静止状态两方面出发，针对改造后的径向轴承润滑冷却水的供水流量、压力进行计算，以验证以下两种情况：在泵运行时，设计的供水压力能保证浮环密封泄漏量满足轴承散热要求;验证在泵静止状态时，供水能充满径向轴承室及护套管，证明可安全启泵。

3.4.2 轴承散热所需冷却水量及浮环密封压力损失计算、供水压力计算思路如下：

1）为保证设计供水压力能使浮环密封泄漏量大于轴承散热所需冷却水量、证明轴承润滑冷却水改造方案能满足轴承散热要求，先计算出泵运行时轴承最大散热路径所需冷却水量;2）然后将该冷却水量值作为浮环密封的最低泄漏量要求来计算浮环密封的压力损失;3）将浮环密封压力损失加上给轴承供水路径上的沿程压力损失和局部压力损失，得出整个路径压力损失，再加上厂用水泵运行时两级叶轮出口处的海水压力值，得出最低淡水供水（从IWS系统引工业淡水）压力需求。通过流体力学公式计算，供水压力0.74MPa以上能充分满足轴承散热要求、泵运转时可实现轴承润滑冷却水的注入。

3.4.3泵静止时（启泵前）、供水可充满径向轴承腔室验证

浮环泄漏量计算：计算浮环泄漏量为117.284L/min。根据经验，取1.2倍泄漏量140.74L/min作为管道泵的设计流量;

供水母管流速计算：供水母管进水流速计算可得V=1.87m/s（按DN40计算）;此时可满足整个轴承冷却水供水流量要求。

3.4.4 轴承供水源设计、管道泵选取

从IWS工业水管网DN150处引入一路DN40的工业水管路，其压力为0.5MPa，设计引入管道泵加压至1.2MPa左右，通过调压阀管路减压至所需压力后（泵正常运行时为0.74MPa），给厂用水泵径向轴承供润滑冷却水。

选取管道泵时，要求泵的设计流量为140.74L/min，扬程为0.7MPa（因IWS工业水系统过来的压力为0.5MPa）。

4 结语

本论文提出厂用水泵径向轴承存在过早磨损失效的可能问题及针对该问题的解决方案，从径向轴承的磨损机理、改造方案选取、设计方案细化介绍、方案对水力性能、维修拆装工艺性影响、方案压力及流量计算分析了厂用水泵轴承润滑冷却水改造方案并证明了其可行性。

参考文献：

[1]关醒凡.泵的理论与设计[M].北京.机械工业出版社，1987.

作者简介：卿艳丰（1986.11-），男，湖南人，工程师，从事水泵维修方面的工作。