主泵電機潤滑油損失異常的分析和處理

王斌元，楊 寶，張云華

（1.三門核電有限公司，浙江三門 317002；2.中核運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

壓水堆核電站的反應堆冷卻劑泵（簡稱主泵）被喻為反應堆冷卻系統(tǒng)的心臟，負責推動反應堆冷卻劑在堆芯和蒸汽發(fā)生器之間循環(huán)運動，一方面帶走堆芯熱量冷卻堆芯，另一方面將反應堆產生的巨大熱量通過冷卻劑傳給蒸汽發(fā)生器。伴隨電廠的管理提升，在電廠一個換料周期基本不安排停堆檢修，所以要求主泵必須連續(xù)運轉一個運行周期，并且在電廠運行期間，主泵安裝廠房內輻射劑量極高，對設備的檢查和維修增加了很大的困難，因此對主泵的可靠性要求極高。目前所有的壓水堆核電站主泵均采用電動泵，一般為立式混流結構，驅動電機則多采用立式鼠籠式感應電機。秦山核電站的主泵配套電機（以下簡稱主泵電機）為德國西門子公司生產的大型立式感應電機。立式電機因為結構設計的限制，在運行期間存在油氣揮發(fā)而引起的軸承箱潤滑油少量損失問題屬于正常現象。但在C13燃料周期內，主泵電機B的上軸承箱潤滑油的損失量忽然增大，最大損失量達到1 L/d，導致電機上軸承箱頻繁出現低油位報警，嚴重影響主泵及反應堆的安全穩(wěn)定運行。此后，通過對電機結構以及油箱內部潤滑油運動狀態(tài)、壓力情況的分析，并通過對電機漏點檢查，找到了潤滑油大量損失的根源，并進行了相應處理，最終使缺陷情況得到有效控制，保證了主泵的安全穩(wěn)定運行。

1 主泵電機結構簡介

主泵電機為立式鼠籠式感應電機，工作電壓6.6 kV，額定功率4500 kW，轉速1488 r/min。電機整體從結構上可分為轉子、定子、電機支架及上、下軸承箱等部分。轉子由軸、推力盤、鼠籠和鐵芯、飛輪、定轉子冷卻風扇及聯(lián)軸器組成。安裝在上軸承箱內的推力軸承承受整個電機轉子的重量，上、下軸承箱內的導軸承則限制轉子的徑向運動，所有的軸承采用稀油自潤滑方式，潤滑油冷卻使用強制水冷。它們被一個封閉式的瓦架所包圍，瓦架上部使用DUO（Dual O Type Seal，雙O形密封）分半式環(huán)形密封圈與推力頭之間形成相對密閉空間，保證電機運轉時導軸承的潤滑油供應以及正常循環(huán)冷卻。在瓦架外部設置有環(huán)形油冷卻器，內外側均設置有隔油擋板，一方面可以保證潤滑油的冷卻流動按照設計的路線進行，另一方面可以消除由于電機運轉造成的潤滑油擾動，減小由于液面擾動對油位報警裝置的影響。推力盤內部與電機軸之間設置有擋油管，并且安裝有3道浮油密封環(huán)，使擋油管與推力盤之間相對密封，并阻止由于推力盤的轉動造成的潤滑油向上爬升。在上軸承箱的外壁上方設置有5個油溫、軸承溫度等測量裝置的出線孔，通過膠圈的方式與軸承箱壁之間密封。在上軸承箱外部設置有目視油位計，油位計底部通過接管與軸承箱底部相連，上部安裝有帶濾芯的通氣過濾器以及帶有目數較大的過濾網的呼吸帽。軸承箱上蓋設置有兩個浮球式油位報警裝置和一個與目視油位鏡上方形同結構的通氣過濾器。

在上機架的下部，即為轉子鐵心和定子線圈的冷卻風扇。外殼板上的通風孔，使冷卻空氣均勻的通過定子繞組的端部，進入轉子鐵芯，上下通路匯合到一起后一起流向定子線圈，吹向外殼上的空冷氣，使冷卻氣流得到冷卻，最終使整個設備環(huán)境溫度得到冷卻。

2 缺陷分析及檢查

2.1 缺陷描述

按照公司預防性維修大綱的規(guī)定，在2010年度進行的R12預防性維修中對主泵電機B進行了檢修，在2010年8月3日進行檢修后的空載試驗，試驗一切正常。隨后的一個月由于其他設備問題，電機一直處于停運狀態(tài)。2010年8月31日電站完成R12啟堆，主泵電機B正式投運后。2010年9月3日主控觸發(fā)“主泵B電機上油槽油位低”小光子牌報警。通過現場油位監(jiān)測攝像觀察主泵電機B目視油位鏡，油位在中線上約3 mm，與8月31日相比，油位下降約5 mm，電機其余運行參數正常。為了減小電機運行風險，消除油位低報警，檢修人員進入核島廠房內進行了外部檢查和緊急補油，從外部看，電機周圍地面上有油跡。2010年9月28日，主控再次觸發(fā)“主泵B電機上油槽油位低”報警，電機再次出現上軸承箱油位低報警。通過連續(xù)觀察計算，自運行以來，潤滑油異常損失速率約為1 L/d，已經嚴重超出了電機正常運行時的潤滑油損失速率。

2.2 缺陷原因分析及推測

秦山核電有限公司1#機組中有2臺同樣形式的主泵電機，該電機自安裝運行以來一直存在因油氣散失引起的潤滑油少量損失現象，這屬于正常的潤滑油損失，一般在一個燃料周期內潤滑油的損失量不足以達到報警值。而這次潤滑油異常損失速率約為1 L/d，可以肯定不是正常意義的油氣損失，初步判斷電機上軸承箱存在直接泄漏點。根據電機上軸承箱的結構，初步判斷可能存在7個外漏點。

（1）上軸承箱殼體及其與內擋油管的連接采用鋼板焊接，焊縫存在泄漏可能。

（2）上軸承箱油冷器冷卻水法蘭與上軸承箱之間的密封墊片存在泄漏可能。

（3）軸承箱上蓋與軸承箱之間的密封存在泄漏可能。

（4）上軸承箱與推力頭外部間DUO墊片密封部位存在泄漏可能。

（5）上軸承箱蓋上的2個油位報警開關密封和加油孔呼吸器存在泄漏可能。

（6）上軸承箱側壁上方的5個測溫探頭信號線出線孔密封存在泄漏可能。

（7）潤滑油從推力頭和擋油桶間上升，最后跨過擋油桶引起泄漏。

初步分析上述泄漏點，其中（1）和（2）點的位置在油箱油位以下，如果存在泄漏，潤滑油將直接漏出，存在泄漏的可能性比較大；（3）～（6）點均在潤滑油面的上方，潤滑油在軸承箱內相對較安定，存在泄漏的可能性不大。推力頭和擋油桶間的浮動密封環(huán)失效造成潤滑油爬油或者浮油動密封環(huán)損壞造成與推力盤內壁嚴重摩擦產生局部高溫，造成大量的油氣損失。

按照以上分析，檢修人員在機組運行期間對主泵電機B進行了檢查，打開相關的圍板，檢查所有的相關密封部位是否存在泄漏。由于推力頭和擋油桶間的浮動密封需要解體電機后才能檢查，所以采用通過打開上軸承箱下部集油槽底部的疏油閥，檢查是否存在潤滑油積存的方式加以判斷。

2.3 檢查情況

2010年9月29日，檢修人員進入核島廠房內對主泵電機B進行了檢查，檢查后發(fā)現以下異常。

（1）在安裝和拆除電機上軸承箱上部的加油過濾器濾芯的兩種狀態(tài)下，上油槽目視油位計處油位讀數相差12 mm。

（2）拆出上軸承箱上部的加油口濾芯時發(fā)現有明顯氣涌現象，從加油口處觀察軸承箱內部潤滑油運動狀態(tài)。發(fā)現油表面總體平靜，無渦旋、翻滾等狀況。上油槽上部空間內持續(xù)有油星從電機中心向外甩出，運動方向為由電機中心向外成散射狀。

（3）電機上軸承箱側壁上方的測溫探頭信號線出線孔下方有大量潤滑油泄漏痕跡。隨后打開其中一個密封孔時，存在一股潤滑油向外涌出（圖1）。

圖1 儀表線孔泄漏

3 泄漏產生的機理分析

在以往的分析中，大部分立式電機的潤滑油損失一般多關注油面以下部位的泄漏和擋油管和推力盤之間的爬油現象，對于油位上部的位置均較少考慮。而本次發(fā)現的“位于高位的信號線孔連續(xù)、大量地損失潤滑油”現象在分析和檢查中更容易被忽略，從而導致判斷失誤。

根據主泵電機上油槽的結構，出線孔位于油位液面上方，距離油面高度約110 mm，一般該處只可能會有少量的油氣溢出，不會有大量的潤滑油直接泄漏。在檢查中還發(fā)現，潤滑油泄漏在電站啟堆電機正式投運后才開始出現；在電機上油槽通氣變化的過程中，目視油位計內的油位發(fā)生較大的變化。對于以上的現象，下面進行了詳細的分析。

3.1 電機上軸承箱油位計假油位現象與產生原因

（1）目視油位計假油位現象。在檢查中發(fā)現，電機上軸承箱的目視油位計存在一定的假油位現象。表現為，電機運行時，拔出上軸承箱蓋的加油濾芯（濾網密度130滋m）后，目視油位計油位下降約12 mm，恢復該濾芯則目視油位計油位恢復。

根據軸承箱的結構，可以將其簡化為一個連通器（圖2）。連通器兩側作用的壓力分別為大氣壓和軸承箱內部壓力。如果軸承箱內部壓力升高，大氣壓維持不變，則目視油位計內的油位升高。升高的值就是內外壓力差。在檢查中拔出加油濾芯時油位下降說明軸承箱內部壓力減小，裝入加油濾芯時油位上升說明軸承箱內部壓力增加。由此可知，電機上軸承箱內部在運轉時的壓力高于大氣壓力。

圖2 軸承箱與油位計簡化圖

（2）壓力來源分析。軸承箱內壓力只有在電機運轉后才會產生，運轉前后可能影響壓力的因素有溫度和離心作用。

電機上軸承箱在運行一定時間后最終可以達到溫度恒定，加油濾芯阻力雖大但仍然可以排出部分空氣。假設軸承箱上部完全密閉，溫度所產生的內壓積累和變化較為緩慢，但是這個壓力并不能源源不斷的產生，所以會在緩慢產生過程中會通過通氣過濾器排出。并且在達到恒定溫度之后它將與大氣壓平衡且不再變化，因此可以確認壓力升高與因空氣變熱產生的膨脹無關，是由電機運轉時的離心作用導致。造成軸承箱內壓力升高的原因是推力盤上部的回油孔。由于軸承箱內部與空氣接觸的轉動部件均光滑且為正圓形，其轉動帶來的擾動對于粘度較低的空氣來說是可以忽略的，唯有此4個回油孔可以造成空氣的較強運動。運動的模式與推力頭下部潤滑油增壓孔的模式一致，便是旋轉時的離心力將推力頭內側的空氣“泵”入軸承箱內部（圖3）。

（3）壓力計算。根據現場測量目視油位鏡處潤滑油液面下降的高度，可以估算軸承箱內的壓力約為P=籽gh=860伊9.8伊0.012=101 Pa。對此也使用理論方法對回油孔產生的風壓進行計算，并與P進行比較驗證。

首先，計算小孔產生的相對空氣壓力，因此需要進行以下的初始條件假設：淤油槽上部空間其他部位處于密閉狀態(tài)，只有回油孔與外界空氣連通；于油槽內油面完全平靜；盂潤滑油與空氣無反應、互不溶解；榆油槽內外空氣溫度恒定，質量分布均勻。根據以上條件可得，當電機處于平穩(wěn)運轉狀態(tài)后，小孔內部的空氣處于力學平衡狀態(tài)。設此時小孔兩側的氣壓分別為P1和P2，則P1-P2就是小孔產生的相對空氣壓力駐P。

另外以下兩條分析有助于簡化計算：由于小孔內的空氣處于力學平衡狀態(tài)，可以認為小孔內的氣體不與外界發(fā)生物質交換，可看作一個固定的空氣柱；從現場測得的數據來看，小孔所產生的相對壓力數值微?。?00 Pa左右），對空氣的密度分布的影響可以忽略不計，可以認為小孔內的空氣沿小孔的軸線方向均勻分布，空氣柱密度一致。

空氣柱所受離心力為F=m棕2R=籽aTA棕2R，F沿孔軸線方向的分力為 F1=Fcos茲。F1產生的壓強 駐P=F1/Acos茲=籽aT棕2R，駐P抑119 Pa?？芍酥蹬c現場觀測的結果相符合。理論計算值駐P作用于油槽內部潤滑油表面后引起的液位差值為h=駐P/（籽lg）=119/（9.8伊860）抑0.014 m=14 mm。因此可知，如果將主泵電機上油槽至于完全密封狀態(tài)，由于推力頭旋轉而引起的內部壓力升高會使目視油位計產生約14 mm的假油位。現場觀測的約12 mm假油位除觀測誤差外，是因為現場狀況與計算時的初始假設條件不一致引起。

根據以上現象推測軸承箱內部由于某種原因產生了高于大氣壓的壓力，而濾芯的通氣性能不高，致使安裝濾芯后內部憋壓產生內外壓差。

圖3 推力盤空氣走向

圖4 推力盤尺寸

3.2 電機上軸承箱內部潤滑油的運動狀態(tài)

根據主泵電機上油槽的結構形式，出線孔位于油位液面上方，距離油面高度約110 mm，在檢查中發(fā)現該處存在持續(xù)的泄漏，并且在打開其中一個密封孔時，存在一股潤滑油向外飆出，因此可以肯定有潤滑油持續(xù)到達該位置才會產生這樣的問題，所以對上軸承箱內潤滑油運動狀態(tài)進行了分析。

（1）潤滑油的運動狀態(tài)總體描述。由于電機結構設計中，推力頭外側有封閉式的瓦架，推力頭工作時對潤滑油造成的擾動被限制在瓦架內部，因此整箱潤滑油不會產生渦旋運動。瓦架外部的潤滑油部分做強制對流運動，部分做自然對流運動。在推力頭上下側的4個潤滑油供油孔的驅動下，靠近內側的潤滑油從瓦架的下部空隙內流入瓦架內部，通過導流管運動至冷油器上部，形成強制對流運動。其他區(qū)域的潤滑油則在熱力作用下做自然對流運動?，F場觀察上軸承箱內部潤滑油的運動狀態(tài)總體表現較為表面平靜，液面下部存在對流。

（2）推力頭與擋油管之間區(qū)域。推力頭與擋油筒之間設計有3道浮油密封環(huán)，可以破壞推力頭內孔附近潤滑油隨推力頭旋轉產生的渦旋運動，減弱潤滑油沿推力頭內孔壁上爬的趨勢。在浮油密封環(huán)以上部分的推力頭內孔設計為錐形，可使部分上爬的潤滑油在離心力切向分力的作用下向下運動回流；對于未被阻止上爬的潤滑油將由推力頭上部的4個回油孔進行回收。

如果浮油密封環(huán)與推力頭內孔間隙超過原始設計值則會導致密封效果劣化，上爬油趨勢增加，在回收不暢的情況下潤滑油會從擋油管內向外泄漏。

（3）推力頭與瓦架之間區(qū)域。推力頭與瓦架之間的區(qū)域內部的潤滑油運動十分激烈，運動復雜且具有隨機性。但大致的趨勢還是潤滑油從推力頭下部的供油孔進入，經過推力頭的離心作用“泵”入導瓦室，一部分用于潤滑，由安裝在瓦架上的導流管流出至冷油器進行冷卻。另一小部分則在壓力作用下經由推力盤與瓦架之間的DUO密封之間的間隙排出。借助推力頭的轉動向外甩出，形成散射狀油滴飛濺。這些油滴被輸送到軸承箱內表面可能到達的區(qū)域，包括信號線孔處。

在檢查過程中，也確實發(fā)現上油槽上部空間內持續(xù)有油星從電機中心向外甩出，運動方向為由電機中心向外成散射狀。

3.3 儀表出線孔泄漏原因

根據前文闡述，可以了解軸承箱內的潤滑油既有可以到達信號線孔處的可能性，又有向外泄漏的驅動力，如果此處的信號線孔密封不良則造成潤滑油泄漏損失是顯而易見的事情。但是在設備管理過程中問基于經驗認為，此處的密封要求應該很低，僅用于阻擋灰塵和異物。包括廠家提供的電機說明書中對此處的密封要求也未做描述，外部的咨詢和檢修資料也鮮有提及。加上處于強輻射區(qū)工作的主泵電機在運行期間無法現場長時間監(jiān)控的限制，從而使小缺陷變成了大問題。

通過此次缺陷的分析及處理，可知此類結構的電機軸承箱的各個相關部位都應該有一定的氣密性要求，雖然軸承箱內部潤滑油運動不激烈，但是仍然可能造成一些較高位置的漏油。對于相關的可能泄漏部位應該做定期的檢查，如信號線孔之類的密封件應該定時更換，以消除潤滑油泄漏增加的隱患。

4 維修措施和效果

根據以上分析和檢查結果，要消除潤滑油泄漏的缺陷則必須對存在泄漏的出線孔密封進行更換。但是，由于缺陷發(fā)生時是夏季用電高峰，更換出線孔密封件需要較長時間。因此，采取緊急處理方案。從外部修復出線孔和降低軸承箱內部氣壓驅動力，以緩解或消除目前的潤滑油損失。

（1）緊固漏油的出線孔貫穿件，再使用油面密封膠對其進行修補。

（2）將加油口過濾器進行修改，在其側面對穿鉆2個直徑10 mm的孔以泄出軸承箱內部的部分壓力，降低信號線孔處的泄漏驅動力。

實施以上兩步操作后，再經過一段時間的觀察，上軸承箱的漏油速率已經降低至可接受的范圍，潤滑油損失現象明顯得到了有效控制。

5 結束語

在大型立式電機上，這種結構的電機油箱形式皆存在一定的潤滑油異常損失問題。電機油箱潤滑油異常損失，不但會使油箱內油量減少，軸承潤滑冷卻效果降低，而且還會因電機長期受潤滑油的浸蝕、線圈絕緣下降等。潤滑油在電機各層面積存，運行狀態(tài)下的電機溫度較高，存在極大的火災隱患。這些因素全都影響機組的安全穩(wěn)定運行。通過分析，只有嚴格控制電機產生內漏和外漏的影響因素，才能使電機潤滑油的異常損失得到有效的控制和解決。當然，還需要做進一步的思考，包括油箱內潤滑油飛濺的影響因素、油箱內輕微內壓對軸承潤滑作用的影響等等，以使?jié)櫥蛽p失達到近可能小的程度。