核電站屏蔽主泵推力軸承運行與維護探討

摘要：水潤滑石墨推力軸承是第三代核電站屏蔽主泵的重要部件，同時也是易損部件，目前還沒有針對該部件的運行和維護說明。文章基于屏蔽主泵推力軸承結(jié)構(gòu)特點和運行工況，對各種運行條件下的影響因素進行了分析，提出了運行注意事項和維護項目。

關(guān)鍵詞：核電站；屏蔽主泵；水潤滑；推力軸承；液膜 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM30 文章編號：1009-2374（2015）13-0137-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.069

國內(nèi)在建的由美國西屋公司設(shè)計的第三代核電站項目首次采用大型立式屏蔽泵作為壓水堆核電站主冷卻劑泵，其也是全球工業(yè)迄今為止最大的屏蔽泵，該泵尚未投入運行（下文簡稱“屏蔽主泵”）。屏蔽泵作為一種無泄漏密封泵，多應(yīng)用于化工及醫(yī)藥行業(yè)輸送有毒有害液體、艦船及試驗用小型核反應(yīng)堆，但相較之核電站屏蔽主泵性能參數(shù)要小很多。

屏蔽主泵的推力軸承設(shè)置在泵體內(nèi)部，與輸送介質(zhì)直接接觸，并通過介質(zhì)潤滑。與常規(guī)的油潤滑推力軸承相比，立式屏蔽泵推力軸承不需要配套的油系統(tǒng)提供支持，并消除了潤滑油帶來的火災(zāi)風(fēng)險、減小了整泵的空間需求。

屏蔽主泵無泄漏和低火災(zāi)風(fēng)險的特點提升了核電站的安全系數(shù)，然而相當(dāng)性能參數(shù)條件下，由于設(shè)備內(nèi)部空間的制約和潤滑劑黏度低等因素，給屏蔽主泵推力軸承的設(shè)計和制造增加了難度，同時也對運行和維護提出了更高的要求。本文立足屏蔽主泵推力軸承的設(shè)計特點，探討該泵推力軸承運行的關(guān)注點以及維護的要點。

1 屏蔽主泵推力軸承的結(jié)構(gòu)和原理

屏蔽主泵共有三個軸承，兩個徑向軸承和一個推力軸承，都在電機一側(cè)，軸承采用水潤滑方式。徑向軸承為圓柱形滑動軸承，主要用于平衡由水力、電磁等產(chǎn)生的徑向不平衡力；屏蔽主泵推力軸承較之徑向軸承結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，主要用于平衡由水力部件和轉(zhuǎn)子自重所產(chǎn)生的軸向力。

屏蔽主泵推力軸承為雙向推力軸承，推力軸承的推力盤與下部飛輪組合成一體，推力軸承上下兩側(cè)的推力瓦組件結(jié)構(gòu)相同，均由六個推力瓦、六個正向平衡板、六個反向平衡板、基礎(chǔ)環(huán)和銷釘、彈簧、螺釘?shù)炔考M成。屏蔽主泵啟動時，隨著推力盤轉(zhuǎn)動速度的提升，推力盤與推力瓦之間快速形成水膜，兩者之間的摩擦由干燥摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)摩擦（即通過液膜接觸）。正常運行時，軸向載荷通過推力盤依次傳遞到軸瓦、平衡板、基礎(chǔ)環(huán)。每個推力瓦的正下方是正向平衡板，軸瓦與平衡板之間通過球面相接觸，六個正向平衡板和六個反向平衡板錯位布置、首尾相搭接，相互傳遞力矩，使各軸瓦所承受的載荷趨于平衡。

圖1 屏蔽主泵推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖

推力軸承的上、下推力盤熱裝在下部飛輪兩側(cè)的泵軸上，推力盤母材為600合金材料，兩面均有經(jīng)熱等靜壓工藝處理的司太立硬質(zhì)合金層，以提高其耐磨性，進而減少推力瓦運行時對其造成的磨損。推力瓦表面為石墨材料，依靠側(cè)夾板固定在瓦托上，石墨本身分子結(jié)構(gòu)決定了其具有一定的自潤滑性能和較小的摩擦系數(shù)。

2 屏蔽主泵推力軸承的運行分析

正常工況下，屏蔽主泵的運行可分為三個階段：啟動階段、全速運行與停運階段。當(dāng)核電站意外失去廠用電源時，要求屏蔽主泵能夠依靠“飛輪”的慣性可靠地惰轉(zhuǎn)足夠長時間。當(dāng)單臺屏蔽主泵停運時，設(shè)計上允許該泵在系統(tǒng)介質(zhì)作用下反向旋轉(zhuǎn)。下文對核電站系統(tǒng)和設(shè)備運行過程中影響推力軸承穩(wěn)定可靠運行的幾個因素進行分析。

2.1 轉(zhuǎn)速

如由文獻推導(dǎo)所得，影響推力軸承形成穩(wěn)定的動壓液膜（推力盤與推力瓦之間由干燥摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)摩擦）的主要條件包括：推力盤與推力瓦的幾何結(jié)構(gòu)、兩者之間形成楔形的間隙、并從楔形間隙較大的一側(cè)向較小的一側(cè)的形成相對運動速度V，潤滑劑的黏度。當(dāng)屏蔽主泵制造完成后，除轉(zhuǎn)動速度V和潤滑劑黏度，其他條件固定不變，V和與液膜厚度成正比。正常啟動至穩(wěn)定運行過程中，潤滑劑黏度因溫度升高而減小，但其對液膜影響的貢獻遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)動速度。

2.1.1 低速運行。屏蔽主泵在正常啟停、惰轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)過程中都會有一段時間處于低速運行，伴隨著液膜建立或消失過程，推力軸承推力盤和推力瓦之間經(jīng)歷“干燥摩擦-邊界摩擦-液態(tài)摩擦”或相反的作用過程。

干燥摩擦狀態(tài)的摩擦是遵守庫侖法則的，也就是說摩擦力F與垂直載荷P成正比，用公式表示為：

式中：

——摩擦系數(shù)

邊界摩擦狀態(tài)下，固體表面雖吸附有分子膜（一般厚度為10-6mm），但是這種吸附層沒有液體流動，因此它也大致遵守庫侖摩擦法則。

屏蔽主泵“倒掛”于蒸汽發(fā)生器下部的泵殼上，和常規(guī)“正立”布置的主泵恰好相反；屏蔽主泵的轉(zhuǎn)動部件全部位于工藝系統(tǒng)壓力邊界之內(nèi)，不承受系統(tǒng)壓力載荷。由圖2可知，屏蔽主泵在運行時承載力為轉(zhuǎn)動部件重力G與運輸介質(zhì)反作用力F之差。正常啟動時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，作用力F逐漸變大，推力軸承承載力減小，有利于初期液膜的建立，也減小了這一階段的摩擦力F。但長期處于這一階段，接觸面的摩擦損耗將增加，產(chǎn)生的熱量也將增加，推力軸承的運行環(huán)境逐步發(fā)生不同程度的惡化，甚至可能發(fā)生損壞。某核電站相似設(shè)計的推力軸承在主泵惰轉(zhuǎn)時發(fā)生了燒瓦事故。

屏蔽主泵設(shè)有一個安全相關(guān)的轉(zhuǎn)速探測器以監(jiān)測主泵轉(zhuǎn)速，其輸入信號可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)速低報警，也可產(chǎn)生主泵轉(zhuǎn)速低停堆信號。

圖2 屏蔽主泵轉(zhuǎn)子軸向受力示意圖

2.1.2 高速運行。當(dāng)推力軸承達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，推力盤和推力瓦之間形成足夠厚度的穩(wěn)定液膜，完全不存在固體表面直接接觸。一般說來磨損低，磨耗近于0。這種液膜的厚度取決于摩擦面的幾何形狀、摩擦條件和流體的粘度等，即流體力學(xué)，因為這種摩擦是符合牛頓黏性摩擦規(guī)律的。用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：

式中：

——單位面積上的切向力（剪力）

——沿垂直于摩擦面方向的速度梯度endprint

而摩擦力。

在啟、停階段，根據(jù)系統(tǒng)運行的要求，屏蔽主泵需要在系統(tǒng)運行參數(shù)達(dá)到相應(yīng)值后才能逐步升至全速運行。為了避免主泵在其共振頻率附近長時間運行，主泵轉(zhuǎn)速設(shè)定值只能在確定的若干離散數(shù)值中直接選取，用于系統(tǒng)不同工況的運行需求，例如提供穩(wěn)壓器噴淋等。

低速運行時，推力盤和推力瓦之間的潤滑劑處于層流狀態(tài)；隨著轉(zhuǎn)速進一步增加，部分潤滑劑流動雷諾數(shù)超過2300～2800時，潤滑劑層流就不可能存在了，一旦有小擾動，擾動會增長而轉(zhuǎn)變成湍流。尤其在推力瓦與推力瓦之間的“溝壑”內(nèi)，湍流可能形成交變壓力場和周期振動等水力環(huán)境，在交變應(yīng)力或共振作用下，剛度不足的部件可能在應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)疲勞失效。某推力軸承試驗過程中曾出現(xiàn)過部件疲勞斷裂的情況。

屏蔽主泵設(shè)有若干個振動測量裝置，用來連續(xù)監(jiān)測泵的振動。振動數(shù)值可被實時遠(yuǎn)程讀取，當(dāng)振動超閾值時提供報警。

2.2 溫度

推力軸承的運行溫度影響因素有：推力盤和推力瓦之間的干燥摩擦和液態(tài)摩擦產(chǎn)生熱量，電機工作產(chǎn)生熱量，系統(tǒng)介質(zhì)傳導(dǎo)熱量，屏蔽主泵外置熱交換器帶走熱量。正常工況下，外置熱交換器能夠帶走足夠的熱量，保證推力軸承在合適的溫度下工作。

外置熱交換器為普通管殼式熱交換器，熱量由電站設(shè)備冷卻水系統(tǒng)帶走，工作效率主要影響因素包括：（1）冷卻水溫度和流量，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)正常運行即可滿足；（2）被冷卻介質(zhì)的流動速度，在屏蔽主泵轉(zhuǎn)子的電機一側(cè)設(shè)置有輔助葉輪，泵軸轉(zhuǎn)動時，提供屏蔽主泵腔體和外置熱交換器間介質(zhì)流動動力，也即泵轉(zhuǎn)速越高，冷卻效果越好。外置熱交換器的可靠運行是推力軸承正常工作的必要前提。

圖3 損壞的石墨推力瓦

當(dāng)推力軸承溫度意外升高，潤滑劑的黏度會降低，液膜支撐力下降；如果溫度升至潤滑劑的汽化溫度，將無法形成液膜（汽化溫度與壓力有關(guān)，屏蔽主泵的軸承潤滑劑壓力與系統(tǒng)壓力相同）；沒有液膜，摩擦系數(shù)更大，摩擦發(fā)熱更嚴(yán)重，摩擦面溫度急劇上升，然后摩擦磨損更嚴(yán)重，這一惡性循環(huán)將導(dǎo)致推力瓦在很短的時間內(nèi)破壞，高溫可能造成材料黏結(jié)剝落，熱應(yīng)力沖擊可能造成變形、斷裂等。因此需要注意主泵啟動時的系統(tǒng)壓力，減少軸承潤滑劑汽化的可能性；反之，即需要在主系統(tǒng)壓力降低到一定程度時，自動觸發(fā)停泵，以免由于壓力降低產(chǎn)生汽化。如圖3所示，某核電站相似設(shè)計的推力軸承的石墨瓦由于熱應(yīng)力沖擊開裂。

屏蔽主泵裝有若干臺冗余的安全相關(guān)溫度探測器來監(jiān)測主泵軸承冷卻水出口溫度。這些探測器輸入信號可產(chǎn)生停運屏蔽主泵的軸承冷卻水出口溫度高信號，同時溫度數(shù)據(jù)可實時遠(yuǎn)程顯示和生成報警。

2.3 水質(zhì)

推力軸承的穩(wěn)定運行和推力盤/推力瓦的材料表面狀況有關(guān)。液膜的計算厚度相同情況下，表面粗糙度越大，液膜的實際有效厚度也就越小。當(dāng)其已經(jīng)超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的水膜計算厚度，則很可能發(fā)生干燥摩擦，致使推力軸承運行條件惡化，甚至使推力瓦損傷。

由于推力盤采用了耐磨材料，一般情況下，表面粗糙度的增加主要由推力瓦的磨損造成，磨損的原因主要包括兩個方面：（1）推力瓦與推力盤的摩擦，主要發(fā)生在低轉(zhuǎn)速工況下；（2）潤滑劑中存在固體顆粒。

潤滑劑中存在固體顆粒的來源考慮有三個方面：（1）潤滑劑來源于主系統(tǒng)冷卻劑（硼溶液），主系統(tǒng)冷卻劑中的雜質(zhì)；（2）推力瓦摩擦?xí)r掉落的石墨顆粒；（3）硼溶液結(jié)晶，通過控制啟泵時軸承水溫可以避免。冷卻劑水質(zhì)可以在核電站停堆后進行取樣分析，判斷水質(zhì)是否合格以及推力瓦的磨損情況是否可以接受。

一般來說，在推力瓦的磨損過程中，表面粗糙度總是增大的，推力瓦的表面粗糙度超過安全值時，就會發(fā)生破壞。由上文可知，推力瓦的使用壽命不能單純用運行時間來衡量，還應(yīng)該考慮泵的啟停次數(shù)和水質(zhì)對表面粗糙度的影響。當(dāng)推力瓦的表面粗糙度超過安全值時，應(yīng)立刻更換瓦塊，這樣才能保證屏蔽主泵的運行安全。

國內(nèi)某單位試驗臺架上的屏蔽泵曾因軸承水水質(zhì)較差導(dǎo)致上部和下部徑向軸承石墨瓦均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損，與石墨瓦配合的軸套也出現(xiàn)了不同程度的磨損。

小結(jié)：（1）電站應(yīng)盡量減少屏蔽主泵的啟停次數(shù)；（2）電站應(yīng)盡量縮短屏蔽主泵低轉(zhuǎn)速運行時間；（3）電站應(yīng)保證主泵外置冷卻系統(tǒng)的可靠運行；（4）電站應(yīng)重視轉(zhuǎn)速、溫度、振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，在信號觸發(fā)停泵前判斷異常情況并提前分析處理，可降低對系統(tǒng)和設(shè)備的不利影響；（5）電站應(yīng)在停堆后對屏蔽主泵腔體內(nèi)的水質(zhì)取樣分析，建議在后續(xù)改進設(shè)計時考慮運行期間取樣的可能性；（6）電站在主系統(tǒng)及與主系統(tǒng)直接或間接連接系統(tǒng)檢修過程中，嚴(yán)格注意防異物管理；（7）電站主系統(tǒng)充排水流程需考慮盡量避免由于充排水操作造成可能的雜質(zhì)在主泵內(nèi)積聚。

3 屏蔽主泵推力軸承的維護探討

通過對屏蔽主泵推力軸承運行影響因素的分析可知，推力軸承在正常運行過程中主要存在以下?lián)p耗：（1）長期運行及多次啟停操作，導(dǎo)致石墨推力瓦磨損、表面粗糙度降低；（2）長期運行，流致振動導(dǎo)致強度較低的部件應(yīng)力集中區(qū)域疲勞，導(dǎo)致緊固件位移或松脫；（3）長期運行，推力盤表面、載荷平衡部件接觸面磨損。

如果運行和維護不當(dāng)，推力軸承在異常瞬態(tài)或事故條件下可能存在以下?lián)p傷：（1）石墨推力瓦嚴(yán)重磨損、劃傷、塊狀剝落、開裂等；（2）推力瓦側(cè)夾板變形、斷裂；（3）推力瓦脫離瓦托和側(cè)夾板；（4）載荷平衡部件接觸面嚴(yán)重磨損；（5）推力盤磨損、開裂、熱變形。因此，必須重視屏蔽主泵推力軸承的維護、檢修。建議核電站在日常和大修階段采用以下策略和方案：（1）日常維護：設(shè)備管理工程師、維修工程師對屏蔽主泵溫度、振動等所有測量數(shù)據(jù)定期進行趨勢分析，為電站運行和大修計劃提供依據(jù)；準(zhǔn)備足夠的備件。化學(xué)工程師定期對主系統(tǒng)尤其主泵內(nèi)部冷卻循環(huán)水的水質(zhì)進行分析，重點關(guān)注水質(zhì)中金屬與碳的含量。（2）解體檢修：建議按照電站運行時間、啟停次數(shù)、惰轉(zhuǎn)等瞬態(tài)次數(shù)以及日常監(jiān)測的數(shù)據(jù)，確定是否在大修時對推力軸承進行解體檢查，推力軸承檢測的項目至少包括：檢查石墨推力瓦表面粗糙度、平面度以及是否有劃痕、裂紋等缺陷；檢查石墨推力瓦與瓦托、側(cè)夾板之間的配合是否緊密；檢查側(cè)夾板的內(nèi)外部缺陷（無損檢測）；檢測所有載荷平衡部件接觸面的磨損情況；檢查銷釘、螺釘?shù)染o固件是否松脫；檢查預(yù)緊彈簧是否變形；檢查推力盤表面粗糙度、平面度以及是否有劃痕、裂紋等缺陷。對檢查不合格的部件進行修復(fù)（如整體研磨）或更換。檢修過程必須保證屏蔽主泵腔體內(nèi)部的清潔度。

4 結(jié)語

本文對核電站屏蔽主泵推力軸承運行與維護進行了簡要的分析和探討，提出的潤滑劑取樣和部件維護策略等建議供該設(shè)備在國內(nèi)的設(shè)計、制造和運行進行參考。由于大型屏蔽主泵在核電工業(yè)領(lǐng)域尚屬首次運用，沒有長時間的運轉(zhuǎn)經(jīng)驗，且承擔(dān)了核電站安全功能，無論制造廠給出的運行與維護說明是什么樣的，運行電站都必須持審慎的態(tài)度，充分理解和保守決策，并在實際運行和維護中總結(jié)和分享經(jīng)驗。為確保屏蔽主泵推力軸承故障情況下的快速響應(yīng)，也建議核電廠盡早開展推力軸承更換等維修準(zhǔn)備工作，從而減少屏蔽主泵故障對核電廠造成的經(jīng)濟性影響。

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作者簡介：金飛（1983-），男，江蘇南通人，供職于三門核電有限公司，研究方向：核電維修。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）endprint