某核电站密封油系统三螺杆泵汽蚀的原因分析和处理
2022-05-12
(辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116319)
0 引言
某核电站发电机密封油系统的作用是为发电机密封瓦提供连续的密封油，以保证发电机的气密性，防止发电机内部氢气外漏。红沿河发电机密封油系统采用的是单流环结构，密封瓦的氢侧回油回到真空油箱后，通过真空油箱下游的密封油泵重新回到密封瓦中。密封油泵的作用为，将真空油箱中的润滑油吸出，通过出口的安全三通阀，一部分循环回到入口的真空油箱，进行除气处理；另一部分送到发电机的密封瓦，以便提供稳定的密封油，防止氢气外泄。
密封油泵的结构图如图1所示，其为三螺杆泵，相关参数如表1。
图1 密封油泵结构图
表1 密封油泵参数
1 问题描述
某核电密封油系统自投运以来长期存在密封油泵及出口安全阀产生较大异音，且振动较大的问题。当螺杆泵有异常振动和噪声后，其作为振动源激励系统基础和相连的管路系统，通过相连设备传递到系统下游，从而导致系统工作条件的恶化，甚至对设备造成损害。
异音及振动的产生有较大的随机性及不确定性。主要呈现以下几个特点：1)1号机组至调试以来从未发生过该问题；2号机启动初期也未发生过该问题，运行一段时间后才发生该问题；3号机至调试开始即出现较为严重的螺杆泵振动和异音增大的问题。2)异音及振动随着机组状态的变化也在发生变化。当机组转速达到1500 rpm运行时，异音较大；当汽机在低转速或者0转速时，异音发生过消失的现象，但有时也存在异音。3)当2号机该缺陷处理好后，将相关的措施实施到3号机后，异音仍然存在。
通过以上现象可以认为，导致该问题的产生是一系列原因造成的，并非一个单独的因素造成螺杆泵产生这种较大的振动和异音问题。
2 原因调查及分析
根据现场观察，密封油泵在机组正常运行时会产生较大的异音及振动，同时其出口安全阀也同步产生较大的异音和振动，无法准确的判断是由泵体内部产生还是出口安全阀产生。
通过分析认为产生振动及异音的来源可能如下：出口安全阀频繁动作、密封油泵损坏、密封油泵及管线松动、密封油泵汽蚀、真空箱气泡/密封泵出口压力整定异常，并逐一进行了排查。
2.1 出口安全阀频繁动作
出口安全阀的作用为，防止密封油泵超压，维持系统稳定的压力，并将密封油泵出口的大量润滑油回流至入口真空箱中，通过内部喷嘴将润滑油雾化，以达到除气的作用。
出口安全阀的结构图如图2所示，通过阀芯背部的弹簧整定泵出口的压力。如果阀门发生故障，阀门阀芯频繁动作，会产生振动及异音。且出口安全阀安装在密封油泵出口，如果出口安全阀发生振动，会作为振源带动密封油泵振动。现场出口安全阀及密封油泵均存在较大的振动。
遂对阀门进行了更换，并对旧的阀门进行解体检查，解体的阀门阀芯密封线正常，弹簧性能正常，未见可能导致较大异音及振动的缺陷。且更换新的阀门后仍存在较大的振动及异音。说明阀门故障可以排除。
图2 出口安全阀结构图
2.2 密封油泵损坏
密封油泵较大的振动及异音可能由泵的损坏导致，在机组大修期间，对密封油泵进行了解体全检，解体后检查密封油泵泵腔和螺杆无任何机械损伤。泵体情况良好，未见任何异常。如果由于泵本身的损坏导致，振动及异音将随着运行时间的增加而逐渐恶化，但是实际运行过程，未有该现象。密封油泵损坏导致该问题发生的可能性较小。
2.3 密封油泵及管线松动
如果密封油泵及其管线松动也会造成密封油泵及其管线发生较大的振动。对密封油泵及管线进行了排查，地脚螺栓及紧固件均未见异常，无松动的部件。
且2、3号机均存在较大的振动及异音，属于共性缺陷，2台机组均发生管线松动的可能性极小。
2.4 密封油泵汽蚀
密封油泵内部传输的介质为ISO VG 46润滑油，粘度较高，属于高粘度介质。因为密封油泵工作介质的粘度较高，因而易发生吸空、汽蚀现象而激发较大的噪声。
如果泵的汽蚀余量过小，很小的扰动都可能导致泵发生汽蚀，从而产生较大的振动及异音。泵的汽蚀余量如下：
(1)
其中：Pe为吸入池液面压强；PV为汽化压强；Hg为几何安装高度；∑Hw为流动损失。
(2)
其中：λ为管路沿程阻力系数；Li为吸油管线的长度(m)；ξj为吸油管路弯头局部阻力系数；v为吸油管内流体流速(m/s)。
通过上述公式可知，影响泵汽蚀余量且现场可调节的主要参数如下：
Pe：吸入池液面压强；
Hg：齿轮泵几何安装高度；
∑Hw：流动损失。
下面对各参数一一进行分析。
2.4.1 吸入池液面压强
密封油泵入口为真空油箱，该油箱为密封油泵提供连续的润滑油，同时该油箱对其中的润滑油进行除气，为保证其除气功能，有真空泵持续对真空油箱进行抽真空。通过调整真空油箱的真空度可以改变吸入池的液面压强，从而提高泵的汽蚀余量。
现场对该分析进行了验证，将真空箱压力增大后，密封油泵的振动和异音随着压力的增大而减小，直至消失。同时为了避免报警的产生，目前建议真空箱的压力在15～20 kPa之间。
2.4.2 齿轮泵几何安装高度
齿轮泵安装在真空箱之下，安装高度为负值，齿轮泵距离液面的距离越大，汽蚀余量越大。由于管道的安装已经确定，无法进行调整。可以通过调整真空箱的液位高度，来提高泵的吸入压头。
真空油箱液位高度的运行范围为810～1010 mm，超出该范围将产生报警，为保证较高的安装高度及运行要求，目前液位高度均调整至900 mm左右。
2.4.3 ∑Hw流动损失
密封油泵的流动损失如下：
(3)
其中：ξj为吸油管路弯头局部阻力系数，为定值。仅管路沿程阻力系数λ可变化。
取正常运行的实际参数进行计算：管道内径d=100 mm；润滑油温度45 ℃；吸入真空10 kPa·a；运动粘度38×10-6m2/s；流量Q=417 L/min。
(4)
(5)
为层流向紊流的过渡区，且趋于层流，为简化计算，按照层流计算公式进行计算：
(6)
其中：流速v、管径d为定值，仅润滑油粘度μ随着温度的升高而减小。带入汽蚀余量公式，可知：汽蚀余量与温度正相关，即温度升高时，汽蚀余量大；温度降低时，汽蚀余量小。
由于高粘度泵输送的介质粘度较高，为减小流动阻力，提高泵的吸液能力，需要提升介质温度。
现场对该分析进行了验证，持续观察振动、异音与温度的关系，当系统其他条件不变时，振动、异音与温度的关系如表2所示。
表2 密封油泵油温及振动、异音的关系
从以上数据可知，当温度降低时密封油泵会存在振动及异音，且随着温度的降低，振动和异音情况会愈加明显，与理论分析结果一致。
2.5 其他因素
2.5.1 真空箱气泡
螺杆泵上方为真空油箱，其作用为螺杆泵提供连续的润滑油，并对回到真空箱的润滑油进行除气处理。为满足除气的功能要求，其上方有真空泵持续抽真空，且真空箱内存在20个喷嘴，以便对进入油箱的润滑油进行雾化除气处理。
但是对真空箱进行解体发现，其内部只有3个喷嘴，其他17个喷嘴均已经拆除。咨询厂家，厂家反馈在制造厂进行调试实验时发现当喷嘴过多时，螺杆泵会产生较为严重的振动，所以厂家在安装时即将大量的喷嘴拆除，仅保留了3个喷嘴。
同时对未发生过异音的1号机真空箱进行解体，发现其内部所有喷嘴均已经拆除。
图3 真空油箱结构图
分析认为，喷嘴在对润滑油进行雾化除气的同时，会产生大量的气泡，气泡进入螺杆泵会产生较大的振动和异音，所以对2号机的喷嘴也进行了拆除。但是3号机不存在喷嘴，仍有较大的振动和异音，说明喷嘴产生的气泡只是加重了泵的振动，并不是唯一的原因。
2.5.2 密封泵出口压力整定
现场实验过程发现，通过对螺杆泵出口安全阀进行压力整定，调整螺杆泵的出口压力，当泵的出口压力增大时，泵的异音及振动现象有一定的缓解。且当汽轮机额定转速运行时，螺杆泵振动及异音较大，但是当盘车状态时，密封油供油流量下降，螺杆泵的出口压力增大，异音消失。
相关现象表明，相同条件下，出口压力越高，自吸性能越好，越不易发生汽蚀问题。这是由于排出压力越大，介质通过螺杆泵之间及螺杆与螺杆衬套之间从排出腔泄露回吸入腔的量越多，这样就延缓了泵的吸入腔内汽蚀的发生。
通过以上分析，可知造成密封油泵产生较大异音和振动的原因为泵发生了汽蚀，而导致汽蚀的主要因素为吸入池液面压强较小，齿轮泵几何安装高度不足，且流动损失过大。因上游真空箱内产生的大量气泡加重了泵的汽蚀现象，由此导致泵的异音和振动较大。
3 处理措施及效果
针对以上原因分析，制定的处理措施如下：2号机在第一次大修期间，将入口罐内的喷嘴拆除，从而减少泵入口的气泡，降低扰动。通过提高真空箱的液位高度，降低真空箱的真空度来增大泵的汽蚀余量。同时在启机后重新整定密封油泵的出口压力。通过以上工作，密封油泵的振动和异音问题得到处理，再未发生该问题。
3号机在首次小修期间，执行了2号机相同的工作。但是启机后，仍存在较大的振动和异音。通过持续的查找，发现其供油温度较1、2号机低5℃左右，且波动较大，油温过低造成润滑油粘度过大，流动损失过大，导致汽蚀的发生。将密封油泵的供油温度恢复正常后，振动及异音问题消失。
至此2、3号机密封油泵长期存在的振动及异音问题得到处理。
4 经验反馈及总结
螺杆泵由于其结构和工作特性，相对其他液压泵而言，具有自吸能力强、结构紧凑、工作噪声小、流量压力脉动小和使用寿命长等优点，其发生汽蚀的可能性较小。所以在最开始处理本问题的过程中，认为汽蚀的可能性较小，简单的对相关设备均进行了更换和解体检修，然而问题并没有得到解决。后续通过对系统的排除分析，最后找到了根本原因。设备异常的处理不仅要关注设备本身，同时也要关注系统对设备的影响。同时针对这种输送高粘度介质的齿轮泵，其吸油管道内径应足够大，并避免狭窄通道或急剧拐弯、减少弯头，去除不必要的阀门、附件，尽可能地降低泵的安装高度，缩短吸油管道的长度，以减少压力损失。管接头等元件的密封要良好，以防止空气侵入，从而控制气穴与汽蚀的发生。
