AP1000核電站蒸發器支撐用球軸承擺動磨損試驗失效原因分析

董澤忠， 杜鳴杰， 顧宙， 田洪志

(1. 國核工程有限公司, 上海 200233；　2. 上海材料研究所, 上海 200437)

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AP1000核電站蒸發器支撐用球軸承擺動磨損試驗失效原因分析

董澤忠1， 杜鳴杰2， 顧宙1， 田洪志1

(1. 國核工程有限公司, 上海 200233；2. 上海材料研究所, 上海 200437)

摘要：從球軸承磨損試驗中的試驗工裝、試驗軸承安裝、試驗擺動頻率、裝配過盈量、材料性能、軸承失效等方面詳細闡述AP1000蒸汽發生器支撐用球軸承常溫擺動磨損試驗失效原因；重點對試驗工裝方法、試驗軸承安裝、裝配過盈量等方面的優化，對提高AP1000蒸發器支撐用球軸承常溫擺動磨損試驗提出切實可行的改進方案。

關鍵詞：球軸承； 擺動磨損試驗； 試驗工裝方法; 軸承失效; 材料性能

AP1000 非能動先進壓水堆蒸發器支撐用球軸承，安裝在反應堆廠房內蒸發器各橫向支撐上，目的是允許蒸汽發生器各橫向支撐隨著反應堆冷卻劑回路和蒸汽發生器的熱脹適當偏轉，避免蒸汽發生器支撐系統產生過大的約束載荷。球軸承的AP1000 設備分級為A級，安全分級為SC-1級，屬抗震I級設備[1]。采用ASME NF1規范等級要求制造，設計壽命為60年，球軸承也稱向心關節軸承，在壽期內至少經受擺動/轉動800次，擺動/轉動后軸承潤滑面不得產生影響其性能的磨損。

AP1000蒸汽發生器支撐用球軸承外圈材料要求高強度、高韌性，力學性能良好，經過熱處理后具有良好的耐磨和耐腐蝕性能，選用ASTM A 705 S17400時效硬化不銹鋼鍛件；內圈材料強度稍低于外圈材料，經熱處理后也需具有良好的耐磨和耐腐蝕性能，選用ASTM B 505 UNS96900銅合金鑄件；內嵌潤滑材料為石墨柱。

磨損試驗也稱壽命試驗，即在A類工況載荷3 500 kN條件下，球軸承擺動/轉動次數不少于800次，試驗過程中潤滑面不得產生影響其性能的磨損。鑒于產品60年的設計壽命及所支撐的蒸發器的重要程度，并涉及到核安全相關方面，因此產品鑒定試驗尤為重要，而磨損試驗是鑒定試驗中的重要環節；同時此類球軸承為國外供應商獨家壟斷供應，因此為打破壟斷而進行的國產化研究及生產具有重要意義。

筆者主要探討AP1000蒸汽發生器支撐用球軸承在產品開發定型試驗中常溫擺動耐磨試驗失效的原因及解決方法。

1試驗失效的情況

在試驗室進行了AP1000蒸汽發生器支撐用球軸承的常溫擺動磨損試驗(見圖1)。

試驗次數設定為799。球軸承安裝在磨損試驗工裝中，磨損試驗工裝放置在1 000 t壓力試驗機的試驗臺上，施加徑向靜載荷的預載值并恒壓數分鐘后，按規定載荷的速率加載，達到規定的徑向載荷值；并通過在內圈擺角范圍內已預訂的頻率進行正負方向旋轉擺動，在進行到120次時，拉力傳感器顯示的拉力突然增大，約80 kN, 在第177次時，發現有異常響聲，隨后試驗人員停止試驗并拆開試驗工裝，發現軸承及試驗工裝失效，試驗失敗。析解工裝及球軸承，具體失效形式見表1。

表1　失效部位及形式

注：1)外圈力學性能的技術要求為室溫拉伸Rp0.2≥1 000 MPa，Rm≥1 070 MPa，延伸率A≥12%，斷面收縮率≥45%；2)內圈力學性能的技術要求為室溫拉伸Rp0.2≥724 MPa，Rm≥758 MPa，延伸率A50≥4%。

2試驗失效原因及分析

球軸承常溫擺動磨損試驗失效后，根據失效形式，軸承方面從試驗軸承安裝、螺栓材料性能、裝配過盈量、試驗擺動頻率、材料硬度、材料力學性能、材料存在裂紋等方面分析可能導致軸承常溫擺動磨損試驗失效的原因，并尋找改進的方法[2-3]。

工裝方面從支撐軸承座、試驗軸承座結構、加載塊高度、試驗軸承等方面進行原因分析，并尋找改進的方法。

針對試驗失效的問題建立的故障樹見圖2。

2.1 外圈失效

2.1.1 連接螺栓斷裂

(1) 試驗軸承安裝不當。

拆卸工裝將試驗軸承從軸承座中取出后發現，試驗軸承的放置位置為外圈接縫的正上方，與試驗載荷處在同一直線位置上，受力方向為垂直向下。從受力情況可以推斷出，在加載過程中該側的連接螺栓承受較大的剪切力，從而使軸承外圈承載失效。

(2) 螺栓材料性能不足。

試驗軸承外圈單側由2個M6的螺栓及1個d=6 mm的圓柱銷連接，螺栓材料為316不銹鋼，屈服強度為205 MPa。在本次磨損試驗的安裝條件下，螺栓截面上承受的剪切應力為3.36 GPa(載荷為3 850 kN)，遠超出316不銹鋼的屈服強度。若軸承外圈接縫與試驗加載載荷方向成90°，則螺栓基本不承受剪切應力。該因素不是造成外圈失效的原因。

2.1.2 外圈與軸承座孔發生相對滑動

(1) 裝配過盈量不足。

(2) 材料硬度不匹配。

內圈材料為銅鎳錫合金C96900，實測硬度為HRC32.4；外圈材料為不銹鋼17-4PH，實測硬度為HRC 36.5。內、外圈材料硬度相差4，因此不會因為硬度近似而使內、外圈材料產生金屬黏著，進而出現抱死的現象。該因素不是造成外圈失效的原因。

(3) 材料存在裂紋。

內圈材料按技術要求在原材料階段按GB/T 18851—2012進行滲透檢測，檢測報告表明內圈材料表面無缺陷。該因素不是造成外圈失效的原因。

2.2 內圈失效

(1) 試驗軸承安裝不當。

由于外圈開縫位置與試驗載荷處于同一直線上，從而使外圈連接螺紋發生斷裂，進而使外圈開縫部分與軸承內圈直接產生線接觸。在3 520 kN的高載荷下，接觸的區域產生應力集中，最終使軸承發生斷裂。

(2) 材料性能不足。

軸承內圈材料為銅鎳錫合金C96900，根據熱處理后的材料力學性能報告得知屈服強度為724 MPa；在3 520 kN作用下，軸承內圈單位面積承受的應力為381.68 MPa，小于屈服強度，所以材料性能滿足要求。該因素不是造成內圈失效的原因。

2.3 試驗工裝失效

2.3.1 試驗軸承座連接螺栓斷裂

(1) 支撐軸承座未固定。

液壓機通過球鉸將力作用到擺桿上，對其進行拉/推，從而帶動軸承完成擺動動作。由于球鉸與擺桿非完全垂直，所以在球鉸施力過程中，會產生一個水平分力。由于支撐軸承座未固定，所以水平分力通過芯軸作用到試驗軸承安裝座上。因為安裝座是分體結構，所以中間用M10的螺栓進行連接。在水平分力作用下，試驗軸承安裝座的一側承受較大的剪切作用，最終使連接螺栓發生斷裂。

(2) 試驗軸承座結構不合理。

現有的試驗工裝壁厚過薄，與試驗件的規格不成比例。此外，該實驗載荷較大，分體結構的抗拉及抗剪能力不足，軸承座動態剛性(周向、徑向和軸向)不足，無法滿足要求。

2.3.2 擺桿連接螺母與試驗臺架干涉

(1) 加載塊高度不夠。

現有加載塊高度不高，試驗裝置裝配完畢后，擺桿連接螺母與試驗臺架基本處于臨界位置(幾乎接觸)。試驗過程中，軸承一旦發生變形，螺母便會與臺架發生接觸。

(2) 頻率快，升溫過高。

試驗臺架上的軸承內圈在±5°的擺角范圍內以每分鐘5次的頻率擺動1次。試驗過程中溫度從11 ℃開始，在試驗100次后軸承工裝外的溫度上升至最高25 ℃。外部檢查未發現異常。該因素不是造成試驗工作失效的原因。

(3) 軸承失效。

由于軸承失效(內圈斷裂)，內外圈之間產生一定的空間，壓機在加載的同時向下發生一定位移，最終使臺架與連接螺母發生接觸。

2.4 試驗失效故障機理分析

2.4.1 導致螺栓斷裂的受力分析

液壓機通過球鉸將力作用到擺桿上，對其進行拉/推，從而帶動軸承完成擺動動作。因連接軸與擺桿非完全垂直，故在連接軸施力過程中，會產生一個水平推力。由于支撐軸承座未固定，水平推力通過芯軸作用到試驗軸承安裝座上。

安裝座為分體結構，中間用M10的螺栓進行連接。在水平推力作用下，試驗軸承安裝座的一側承受集中力載荷，最終使連接螺栓發生斷裂。

2.4.2 內圈發生斷裂的受力分析

壓力機對試驗軸承施加了3 570 kN的試驗載荷。外圈接縫與試驗載荷處在同一直線位置上，因此該側的連接螺栓承受了相當大的剪切應力并最終發生斷裂。外圈接縫處的受力情況也從原先比較平緩的面接觸變為更加惡劣的線接觸。在線接觸區域產生應力集中，最后超過內圈材料的承受極限并最終發生斷裂。

2.4.3 內圈斷裂后內外圈之間的受力分析

內圈發生斷裂之后，內圈內孔在試驗載荷作用下形狀及尺寸已完全破壞，最后與軸抱死。而外圈接縫處的材料在壓力作用下也漸漸與內圈壓緊，最后在芯軸的帶動下，隨內圈一同轉動，同時也與試驗軸承座孔發生了相對運動。

2.4.4 拉力突然上升的受力分析

由于內外圈之間產生了間隙(內圈斷裂產生的)，試驗壓力機在施加試驗載荷的同時向下發生一定的位移。由于擺桿連接螺母與壓力機臺架在初始狀態下就基本處于臨界位置(幾乎接觸)，所以隨著壓力機的向下移動，桿連接螺母與壓力機臺架便發生了接觸干涉，隨后拉力傳感器顯示拉力突然上升。

根據以上的分析和歸納，可以得出造成AP1000蒸汽發生器支撐用球軸承的常溫擺動磨損試驗失效原因主要有：試驗軸承安裝不當，裝配過盈量不足，支撐軸承座未固定，試驗軸承座結構不合理，試驗軸承失效。

3改進的方法

對上述試驗失效的主要原因提出了以下改進方法：

(1) 針對試驗軸承安裝不當問題，建議編制試驗安裝規程，明確規定試驗件安裝位置及試驗工裝安裝順序及方法，安裝過程中嚴格按規程要求執行。

(2) 針對裝配過盈量不足問題，建議根據球軸承在核島內的實際安裝環境，設計試驗軸承座孔尺寸。

(3) 針對支撐軸承座未固定問題，建議在支撐軸承座下水平放置一塊厚鋼板并加工螺栓孔，試驗裝置安裝完畢后，用螺栓將支撐軸承座固定在該水平板上。

(4) 針對試驗軸承座結構不合理，建議將試驗軸承座設計為整體式，并增加壁厚，解決存在剪切力的問題。

(5) 增加加載塊高度，確保擺桿連接螺母與試驗臺架保持互不接觸。

4結語

通過對球軸承擺動磨損試驗失效的多因素分析，找到了原因并提出了改進措施，為蒸汽發生器支撐用球軸承國產化研究的各項試驗提供了借鑒。

致謝：AP1000后續項目蒸汽發生器支撐用球軸承國產化研究合作單位及國核工程國產化研究項目組全體成員。

參考文獻：

[1] 林誠格，郁祖盛，歐陽予. 非能動先進壓水堆核電技術[M]. 北京：原子能出版社，2010.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 23896—2009 滑動軸承 薄壁軸瓦質量保證 設計階段的失效模式和效應分析(FMEA)[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[3] 中國機械工業聯合會. GB/T 23894—2009 滑動軸承 銅合金鑲嵌固體潤滑軸承[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

Cause Analysis of Failed Swing Wearing Test for Spherical ` Support Bearing in the AP1000 Steam Generator

Dong Zezhong1, Du mingjie2, Gu Zhouzhou1, Tian Hongzhi1

(1. State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 200233, China;2. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Abstract：Based on detailed analysis of the causes leading to failed swing wearing test for spherical support bearing in the AP1000 steam generator from aspects of test tooling installation, bearing installation, swing frequency, assembly fit tolerance, material properties, and specific information of the bearing failure, etc., improvement measures were proposed for the test with focus on optimization of corresponding test tooling installation, bearing installation, assembly fit tolerance and so on.

Keywords：spherical bearing; swing wearing test; test tooling installation; bearing failure; material property

中圖分類號：TM623.4

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0099-04

作者簡介：董澤忠(1973—)，男，工程師，主要從事AP1000核電設備監造工作。E-mail: dongzezhong@snpec.com.cn

收稿日期：2015-10-21