安全殼空氣冷卻機組電機故障分析

蔣嚴軍

（中國中原對外工程有限公司 上海 200233）

安全殼空氣冷卻機組電機故障分析

蔣嚴軍

（中國中原對外工程有限公司 上海 200233）

恰?，敽穗娬径冢–2項目）安全殼空氣冷卻機組，在項目調(diào)試階段的連續(xù)燒毀，暴露出該機組風機存在的問題是共性的。在此基礎(chǔ)上，分析風機存在問題的原因，為后續(xù)及同類產(chǎn)品提供借鑒和參考。

安全殼空氣冷卻系統(tǒng)；單列深溝球軸承；單列角接觸球軸承；風機；電機；熱膨脹

1 事故簡述及分析

安全殼空氣冷卻系統(tǒng)（VCC）是為排除反應(yīng)堆廠房內(nèi)設(shè)備散熱而設(shè)置的循環(huán)冷卻系統(tǒng)。安全殼空氣冷卻系統(tǒng)有6×25%容量的循環(huán)冷風機組，反應(yīng)堆正常運行期間，該系統(tǒng)4臺設(shè)備投入運行，2臺備用。

安全殼空氣冷卻系統(tǒng)，雖然只是核電廠正常運行的一個輔助系統(tǒng)，但也是核電廠正常運行必不可缺的一部分,對于核電廠的安全更是重要的保證。

但是，在恰?，敽穗娬径冢–2）項目的調(diào)試階段，在半年的時間內(nèi)，該系統(tǒng)的風機卻接二連三地燒毀，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常調(diào)試運行。令人不得不對此系統(tǒng)設(shè)備的質(zhì)量和運行維護管理進行慎重思考。

2010年3月10日，進行VCC系統(tǒng)調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，VCC各臺冷卻機組在風機與閥門聯(lián)鎖運行后，電源開關(guān)熱繼電器頻繁動作，工作電流超過額定電流，而且開關(guān)柜內(nèi)有異音。

2010年3月17日，VCC003RU電機出現(xiàn)異響，隨后跳閘。拆檢發(fā)現(xiàn)，軸承已經(jīng)燒熔，電機燒毀。初步排查是由于軸承油脂的缺失，最終導(dǎo)致電機燒毀。

2010年6月13日，對VCC004RU檢查發(fā)現(xiàn)，絕緣為0，電機短路，軸承燒熔，風機轉(zhuǎn)子掃膛，同VCC003RU的情況一樣。

廠家根據(jù)現(xiàn)場反饋情況認為，電機的安裝存在錯誤（即安裝時電機的軸承方向裝反了），6313軸承本應(yīng)該裝在電機上端，現(xiàn)在裝在了下端。在重力作用下，產(chǎn)生摩擦，造成了電機軸承的燒毀。但后來的情況，完全偏離了這種解釋。

2010年8月19日，在廠家的指導(dǎo)下，更換了電機和進行過系統(tǒng)檢查的VCC004RU風機，運行10 d后，又出現(xiàn)了上述問題；10月23日VCC001RU風機、10月25日VCC006RU風機在間斷運行的狀態(tài)下陸續(xù)燒毀（見圖1至圖3）；10月26日VCC002RU風機出現(xiàn)異常，拆解發(fā)現(xiàn)，該電機的6313軸承的潤滑油已經(jīng)沒有了，只是還沒有到電機燒毀的程度。

吸取了上述教訓，2011年1月7日，現(xiàn)場對尚未出現(xiàn)異常、但對運行時間不久的VCC003/005RU進行檢查，電機端6313軸承的潤滑油已經(jīng)變色；2月5日，對剛剛更換新電機的連續(xù)運行了18 d的VCC002/004RU風機進行解體發(fā)現(xiàn)，油脂變色、油脂減少，軸承溫度已經(jīng)達到規(guī)范要求的上限，VCC001/005RU暫時未發(fā)現(xiàn)明顯變化；3月6日，再次對保養(yǎng)后連續(xù)運行29 d的VCC003/004/006RU風機進行檢查，軸承內(nèi)的潤滑脂變色，且所剩無幾。

同樣問題的連續(xù)出現(xiàn)，暴露出風機電機燒毀的原因是共性的問題，而不是個案，更不可能是維護運行不當造成的，而是風機的質(zhì)量和設(shè)計方面存在問題。

該型號電機（Y225S-4N）是應(yīng)用非常廣泛的成熟產(chǎn)品，按道理絕不該出現(xiàn)此類事故。問題究竟出在哪里？只有結(jié)合現(xiàn)象和風機的結(jié)構(gòu)、特點來分析。

現(xiàn)場燒毀的電機上普遍存在幾個共同特點（損毀電機見圖1至圖3）：

1）燒熔的軸承均為單列深溝球軸承（軸承型號：6313，簡稱6313）。

2）與6313軸承配合的軸承端蓋上有明顯劃痕，且6313軸承內(nèi)圈磨損嚴重，局部已經(jīng)磨成楔形。說明軸承內(nèi)圈與軸承端蓋相碰；電機外的油漆嚴重變色則是承受高溫的結(jié)果。

3）單列角接觸球軸承（軸承型號：7313，簡稱7313）軸承沒有燒毀，且油脂均未缺失。

VCC空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)布置(見圖4)是3臺空調(diào)風機并聯(lián)的向下的送風系統(tǒng)。VCC風機是一個垂直安裝向下送風的軸流風機，由進氣環(huán)、機殼、整流導(dǎo)葉環(huán)、葉輪（上下兩組）、電機（37 kW）等部分組成（見圖5至圖7）。

從風機裝配圖（見圖5）中可以看到，正常情況下，6313軸承處于上部，而7313軸承的安裝位置在電機的下部，承受著電機轉(zhuǎn)子和風機的葉輪重力。理論上，6313軸承不受力，處于自由狀態(tài)，可以沿著軸向做上下的小范圍地移動，不存在摩擦和熱產(chǎn)生。

由現(xiàn)象及經(jīng)驗判斷，造成風機事故的主要原因：

1）廠家設(shè)計時沒有考慮到設(shè)備的具體使用情況，對于風機的升力和葉輪的重力沒有經(jīng)過計算，錯誤地以為此電機為一個單向受力的形式。憑經(jīng)驗進行設(shè)計，不嚴謹。

實際是：作用在電機軸承（主要是7313軸承）的力由兩部分組成（見圖6），一個是風機葉輪、電機轉(zhuǎn)子及附件組成的重力G；另一個就是風機送風受到的軸向向上的作用力F升。重力G是個恒定的數(shù)，但是F升則是個變化的值，引起變化的因素很多，主要會隨著電流和電機轉(zhuǎn)速的變化而變化。

根據(jù)力學第一定律，作用力與反作用力相等。因此，電動機受到的向上的作用力F升，等于風機的送風能力，即粗略可以認為：風機產(chǎn)生的全壓在風機截面上的力。

軸向作用力F升＝靜壓×作用面積

計算時將兩級風機視為一個整體，兩級風機的總靜壓可看做單個軸流通風機的“代數(shù)和”；Ⅰ級風機靜壓為：1 000 Pa，Ⅱ級風機靜壓為：1 300 Pa，方向均指向進風口。

作用面積＝回轉(zhuǎn)葉片環(huán)面積+輪轂面積= π/4×(1.003）2。

軸向作用力F升：（1 000+1 300）×π/4× (1.003）2。

通過查閱廠家出廠資料（見圖8）獲得的風機相關(guān)參數(shù)，額定工況下的7313軸承的受力計算如下：

軸承所受到的重力為：

可見，F(xiàn)升

說明：理想狀態(tài)下，正常工作的風機的葉輪軸，不存在軸在升力作用下向上的位移。設(shè)計上6313軸承不受力。

(3)通過對所出露的地下管線調(diào)查記錄。例如運用測繪和繪圖的方法，對地下管線現(xiàn)情況加以標示，在明確各類地下管線位置的基礎(chǔ)上，詳細核查地下附屬設(shè)施，并測量附屬物的屬性。

但是，還有一個事實，就是風機啟動時，瞬間工作狀況不是這樣簡單。啟動電流是正常的5～7倍，因此，啟動時的F升是很大的，F(xiàn)升≥G，并會造成軸的向上竄動。從而產(chǎn)生瞬間或短時間的軸承間的摩擦，一般不會造成嚴重影響，可以忽略不計。

2）6313軸承與端蓋的間隙過小。軸向上些許的竄動，都會造成軸承與端蓋的摩擦。經(jīng)過現(xiàn)場檢測，燒毀電機的軸承間隙為0.2～0.3 mm。相較于C1的電機軸承間隙為0.9 mm。明顯偏小，更沒有考慮電機軸的膨脹。

將所有新到貨的電機的軸承與端蓋的間隙，由原來的0.2 mm加大到0.6～0.8 mm，進行驗證。

2011年1月7日，現(xiàn)場對于連續(xù)運行了一周時間的電機解體（解體2臺），證實了這個猜測：VCC002FN的電機一切正常，而VCC004FN的軸承溫度很高，潤滑油已存在些許變色，測量軸承間隙為0.7 mm。說明正常情況下，電機軸向也會有熱膨脹（由原來間隙1.0 mm降至0.7 mm，膨脹量為0.3 mm）?？梢?，電機軸的膨脹量已經(jīng)超過了預(yù)留的間隙，間隙過小的電機燒毀在情理之中。

對于電流的監(jiān)測數(shù)據(jù)也顯示，電機的運行電流呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。正常情況的電流應(yīng)該是一個穩(wěn)定的小范圍內(nèi)的變化。經(jīng)過了10 d左右，電機的電流才穩(wěn)定下來（在額定電流之下）。

另外，從C1的長期運行情況來看，該電機也存在陸續(xù)燒毀的情況，現(xiàn)象與此相同，只不過運行的時間稍長些，由10多天延長至2～3 a。

可見壽命上，該電機不能滿足《安全殼外1E級電動機技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定。調(diào)整間隙可以緩解問題出現(xiàn)，并非是徹底解決措施。

2011年1月7日，VCC004FN的檢修情況都證明了這一點：測量軸承間隙由1.0 mm降為0.7 mm。軸承間隙在散熱不良的情況下，電機軸在熱的作用下，產(chǎn)生膨脹，從而使得軸承間隙減小了。

2011年2月5日，連續(xù)運行13 d（累計運行18 d）后的電機，檢查發(fā)現(xiàn)：VCC002/004電機軸承的潤滑脂已經(jīng)發(fā)黑，且存在減少情況（見圖9、圖10）。另外對軸承溫度的測量，VCC002的溫度為75.5 ℃；VCC004的溫度為79.5 ℃。這是停機半小時后的測量結(jié)果，考慮到這段時間的自然降溫，可以判斷，正常電機的軸承溫升已經(jīng)超過80 ℃，這是國標規(guī)定的一般電機的軸承溫升上限。這都是散熱不良造成的，再運行下去，出現(xiàn)燒毀電機的情況是必然的。

4）裝配質(zhì)量。在對損壞的電機解體過程中發(fā)現(xiàn)：廠家并未按照裝配圖進行裝配，錯誤地將6313軸承端蓋間的墊片（見圖7）安裝在了7313軸承的位置，與設(shè)計圖紙不符；從而直接導(dǎo)致6313軸承與端蓋間隙地變小；進而出現(xiàn)上述現(xiàn)象，裝配質(zhì)量確實存在問題。

5）軸承的質(zhì)量。若7313軸承的水平度不理想，或是長期疲勞運行造成平面度損傷，勢必造成電機上部6313軸承的竄動和軸的擺動；或是6313軸承的滾珠存在圓度差距，都將帶來此類嚴重問題。勢必造成電機軸跳度增大，從而造成軸承的摩擦。這只能是個例，不會一批出現(xiàn)。

6）軸承選型不合理。下部為7313軸承，上部為6313深溝軸承，軸向向下的推力由7313軸承來承擔；使電機軸的另一端（6313側(cè)）為自由端。6313軸承一側(cè)根本無法承受軸向的向上推力和竄動。若都選用7313軸承，則電機軸兩端均被固定，即使存在些許的竄動，也會被消除。

7）風機的振動。風機的振動以及系統(tǒng)的共振，會引起電機軸的竄動，從而導(dǎo)致6313軸承與端蓋發(fā)生摩擦。

8）風機的動平衡試驗。標準要求是否合理，是否在立式動平衡機上進行的測試，廠家報告中沒有。動平衡不滿足，也會造成電機軸的跳動，產(chǎn)生軸承磨損和摩擦。

9）潤滑油的質(zhì)量。潤滑油內(nèi)若存在雜質(zhì)或顆粒，電機工作時，也會引起軸的竄動。在此，選用耐高溫的潤滑油比較恰當。

根據(jù)VCC風機現(xiàn)場的初期運行情況，電機電流、風機振動、風機噪聲，都滿足設(shè)計要求，都在額定的范圍之內(nèi)，所以對上述的第5、7、8、9條原因也基本可以排除。

因此，可以確定，造成電機損壞的直接原因是6313軸承的磨損。而造成6313軸承燒毀的深層次原因則在于電機自身產(chǎn)生的熱量、在6313軸承處存在摩擦產(chǎn)生的熱量和電機沒有良好的散熱。這幾種因素的綜合作用，先是揮發(fā)掉了軸承處潤滑油，然后是造成風機的劇烈震動，加劇軸承與端蓋的摩擦，最終導(dǎo)致電機燒毀。

2 解決措施

為了徹底解決上述VCC風機存在的問題，需從以下幾個方面著手：

1）按照真實的風機的受力情況（除受到重力，還受到升力），進行科學合理的力學計算，再確定軸承的安裝結(jié)構(gòu)形式。

2）對于這種垂直安裝形式的風機來說，除了下部采用角接觸軸承抵抗重力，上部最好也采用角接觸軸承，用以消除軸向上的力和竄動，提高電機的壽命。

這樣做有幾個方面的好處：①可以有效消除軸向方向上的力和竄動，不用考慮安裝方向，給安裝帶來方便；②即使受到軸向的推力和竄動，也可以有效降低摩擦，變原來的滑動摩擦為滾動摩擦，減少發(fā)熱和磨損；③對于裝配質(zhì)量、潤滑油的質(zhì)量和軸承精度的要求，可以有效降低，提高壽命；④軸承與端蓋的間隙不用考慮。這樣由于電機軸竄動造成的上述電機損毀問題，將會避免。

3）增大上部軸承與軸承端蓋的間隙（0.8 mm左右較為合理），這樣即使存在些電機軸的竄動、電機的裝配偏差、電機軸的熱膨脹，也不至于短時間內(nèi)產(chǎn)生磨損。

4）散熱，改變現(xiàn)有的電機安裝結(jié)構(gòu)，考慮散熱措施，如水冷卻等，取消電機外設(shè)置的鋼桶（這種結(jié)構(gòu)根本就不合理），使電機產(chǎn)生的熱量可以快速被消除和散出去，這應(yīng)該是最需要做的。

5）增加軸承的保護措施，設(shè)置熱電偶等的監(jiān)控。電機軸承溫度超過80 ℃時，自動停機報警，以便于對出現(xiàn)的問題及時處理。

6）采用耐高溫的潤滑油，提高潤滑油的使用壽命。軸承使用的潤滑油是普通的3號鋰基脂。當軸承溫度超過80 ℃時，便會緩慢揮發(fā)。若是選用耐高溫的軸承潤滑油，情況會改善。

7）加強質(zhì)量監(jiān)管，切實按照質(zhì)保程序有關(guān)要求組織生產(chǎn)，消除影響性能和質(zhì)量的隱患（如裝配精度、外購件質(zhì)量等）。

只有從這些方面著手，特別是對電機的散熱作為重點考慮，對現(xiàn)有的風機進行改造，才可以徹底解決VCC風機存在的問題。

Fault Analysis for Motor Burn-out of Reactor Containment Vent Cooling Conditioner

JIANG Yan-jun
(China Zhongyuan Engineering Co.，CNNC，Shanghai 200233，China)

The motor was continuously burnout in reactor containment vent cooling conditioner of C2 project, which indicated that there were general problem in the fan. This thesis analyses the problem of the fan in order to give advice and reference for similar product manufacture.

reactor containment vent cooling conditioner；single-row deep groove ball bearing；single-row angular contact ball bearing；fan；motor；thermal expansion

TL38 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0074-07

TL38

A

1674-1617(2012)01-0074-07

2011-11-07

蔣嚴軍（1969—），男，黑龍江人，高工，機械專業(yè)，從事核電機械類產(chǎn)品工作。