某電站大型立式混流泵齒輪箱油霧研究與治理

劉振華，吳 炯

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

某電站一期工程采用了國內成熟的CPR1000 壓水堆技術，為2 臺百萬千瓦機組，每臺機組設計有2×50%循環水泵。該泵組主要將經粗格柵和旋轉濾網過濾后的海水輸送到凝汽器，從而實現對二回路蒸汽的冷卻，確保整個機組的熱力循環順利進行。

該循環水泵為大型立式混凝土蝸殼泵，在電站現場組裝，主要由預埋件、葉輪、泵軸、齒輪箱、油站、電機及其他附屬管線組成。

在調試期間發現，該泵組齒輪箱底部輸出軸處有大量油霧冒出并伴有刺激性氣味，而且還導致了如下問題：①油霧揮發極大地加速了齒輪箱潤滑油損耗，耗油量約1 L/d；②揮發的油霧凝結后形成大量油跡，增加了人員滑跌的風險；③揮發的油霧在齒輪箱層廠房聚集，導致該房間消防探頭多次報警，降低了消防設施的可靠性；④揮發的油霧對電站運維人員身體健康造成了潛在危害。

1 結構簡介

該循環水泵齒輪箱為國內某齒輪箱公司產的HDBT 型產品，其最大傳輸功率為7140 kW，輸入轉速為745 r/min，輸出轉速為179 r/min，齒速比為4.16，潤滑油為長城ISO VG100 礦物油（牌號長城4408）。

該產品設計為立式行星輪結構，電機輸入扭矩后，經太陽輪—行星輪—內齒輪嚙合副傳動，驅動行星架實現減速輸出，齒輪箱下部設計有組合軸承。它除了承受齒輪箱和水泵的徑向力外，還承受齒輪箱轉動部件的自重、水泵轉子的自重以及水泵工作時所產生的推力。作為整個循環水泵潤滑油系統的大油箱，齒輪箱箱體底部日常工作時潤滑油量約為1600 L。

齒輪箱輸出端的密封采用插入式靜止的擋油筒隔離結構，擋油筒始終高于齒輪箱內部潤滑油油面。擋油筒與齒輪箱推力軸之間有剖分式的密封圈進行密封，該密封圈使用兩圈扣合式彈簧來抱和成為一個整圓，來保證立式齒輪箱的密封（圖1）。

圖1 齒輪箱輸出端結構

推力軸與密封擋圈配合處上方圓周開有8 個直徑為16 mm的孔（氣壓平衡孔），用于平衡齒輪箱內外氣壓。

齒輪箱箱蓋的頂部裝有帶加長桿的呼吸器，用于平衡齒輪箱內外氣壓（圖2）。

2 原因分析

2.1 密封圈磨損產生油霧

2.1.1 密封圈產生干涉

圖2 呼吸器安裝示意

齒輪箱輸出端轉動副唯一接觸結構為擋油筒上安裝的密封圈，該密封圈可能產生干涉引發摩擦。

對密封圈處配合尺寸進行分析，密封圈和推力軸的平均間隙為0.25 mm，密封圈和擋油筒間隙為3 mm。由此可知，推力軸、密封擋圈、擋油筒形成一個浮動密封結構，不會產生干涉問題。

2.1.2 密封圈材質問題

密封圈材料為聚酰亞胺，為驗證該密封圈的耐磨性、低發煙率、高溫下不燃燒等特性，對其進行耐磨和燃燒試驗。

（1）耐磨試驗流程。

①將工裝法蘭的軸頸夾持在車床夾盤上，調整機床轉速，利用旋轉的工裝法蘭模擬齒輪箱推力軸內孔與密封擋圈的摩擦，試驗時兩者接觸的線速度與實際運行工況保持接近；

②試驗采取兩種工況：一是密封圈與法蘭斷面直接進行干摩擦，二是在密封圈涂抹鋰基潤滑脂，進行濕式摩擦；

③試驗時間：干摩擦和濕摩擦各進行1 h；

④法蘭面和推力軸內孔粗糙度保持一致；

⑤摩擦力：通過調整刀架，模擬兩者間較大的摩擦力。

耐磨實驗結果：通過嚴格測試，無論是干式摩擦還是濕式摩擦，在實試驗時間內均無煙霧產生；試驗結束后，密封圈端面未產生明顯磨損。

（2）燃燒試驗。

利用焊槍火焰對準密封圈（火焰溫度約250 ℃），持續燃燒5 min，經過高溫加熱，密封圈未見煙霧產生，也未發生劇烈自燃現象。停止加熱后，密封圈自熄。

由上述分析可知，在設計上，密封圈處為浮動密封結構，不會干涉摩擦；同時，密封圈材質優異，耐磨和耐熱性好，不會在軸承輸出端處產生油霧。

2.2 潤滑油選型不當

安裝調試時，齒輪箱用潤滑油為長城100#齒輪油。該油品為礦物油，相比合成油，但具有揮發性更高、黏度指數低、低溫流動性差、氧化安定性低、熱安定性低、較低的剪切安定性等不足。為驗證該油品揮發性，分別選取市場上4 種代表性的同黏度油品進行揮發性試驗。檢測方法SH/T 0026—1990，試驗結果見表1。其中，除長城4408（100#）為礦物油外，其他均為合成油。

表1 4 種代表性油品在不同溫度下的揮發性檢測結果 %

由表1 可知，70 ℃時，礦物油長城4408（100#）揮發性最大，而3 種合成油揮發性相差不大，僅為礦物油的一半；隨著溫度升高，4 種油品揮發速率均加快，但合成油美孚SHC627 和殼牌100#表現良好，且美孚SHC627 揮發穩定性更高。

齒輪箱運轉時，油溫約50 ℃，推力瓦處溫度為70 ℃，太陽輪和行星輪嚙合處溫度更高。鑒于美孚SHC627 揮發穩定性好，后續電廠用該油品進行了替代。經一段時間驗證，現場潤滑油損耗明顯變小（1 個循環周期未加油），油霧揮發也得到一定改善，但是油霧冒出問題仍未得到根本解決。

2.3 齒輪箱結構設計不合理

2.3.1 呼吸器設計不合理

查詢潤滑油SHC627 的黏度特性和試驗數據，溫度達到50 ℃左右時，其黏度會大大較低（SHC627 在20 ℃時黏度為274 cSt，50 ℃時為63 cSt），在油溫作用下會產生揮發性油霧。同時，齒輪箱在運轉過程中，內部齒輪的相互嚙合以及軸承的高速運轉會產生大量熱量，潤滑油在齒輪高速甩動和高溫蒸發下，會霧化生成大量混合氣體。齒輪運轉生成的熱量對齒輪箱內部油霧和空氣進行加熱，使其受熱后體積膨脹，從而會造成齒輪箱內部氣壓增加。

為維持齒輪箱內外部氣壓平衡，保持齒輪箱各部位良好密封，在齒輪箱頂部位置設計呼吸器裝置（圖2）。齒輪箱運轉時，打開呼吸器后可以看到大量油液從加長桿內孔中飛濺外溢，造成油液粘附在透氣帽的過濾網上，使其孔徑變小甚至堵塞，進而使齒輪箱內的大量氣體無法及時排出。箱體內混合氣體不斷聚集，壓力急劇上升，箱體內溫度越高，與外界的壓力差越大，當其增大到一定程度后，霧化氣在壓差作用下從齒輪箱輸出端、呼吸器憋出。

為驗證上述成因，對同系列齒輪箱進行試驗。

（1）試驗流程：①將齒輪箱頂部支架用塑料保鮮薄膜進行纏繞密封，以模擬齒輪箱實際運行工況，齒輪箱呼吸器數量、規格和正常帶載運行保持一致；②齒輪箱試車時的潤滑油油溫、油壓、供油流量、油位與正常帶載運行保持一致；③施加徑向載荷連續試車2 h。

（2）試驗結果：①打開齒輪箱呼吸器，有大量混合氣體從齒輪箱內部往外冒出；②齒輪箱底部能明顯看到氣體冒出；③試車結束后打開呼吸器，呼吸器內殘留大量潤滑油。

由上述實驗過程可知，呼吸器接口未增設擋油板，輸入法蘭在轉動時將大量潤滑油甩向加長桿，油液飛濺到透氣帽內的過濾網，進而引起透氣帽的透氣效率降低。另外，所選用透氣帽可流通空氣流量過小，不利于齒輪箱內部大量混合霧氣的排出。這兩種因素造成箱體內氣壓遠大于外部環境氣壓，從而使箱體內的混合霧氣從各通氣處外泄。

根據試驗結果，對呼吸器進行了3 次升級改造，將呼吸器加大加高的同時，在筒壁內部增設折流板，以增加油霧揮發的沿程阻力。該新型呼吸器經現場驗證后，齒輪箱底部油霧揮發現象得到解決，但是油霧改從呼吸器處冒出。該方案仍未能從根本上解決油霧冒出的問題。

2.3.2 齒輪箱結構未完全封閉

從上述試驗可知，該類型采用100#黏度潤滑油的齒輪箱，產生大量油霧已不可避免，呼吸器的改造只是將油霧從齒輪箱輸出軸處改為從呼吸器處冒出，只要齒輪箱存在外泄的通道，油霧就會和內部空氣一起溢出，通道越大，溢出越多。

為驗證該成因，對齒輪箱進行全封閉試驗（未帶載）。

（1）試驗流程：①將呼吸器盲板堵住，堵塞輸出軸平衡氣壓孔，在齒輪箱上相蓋處安裝氣壓表來測量其內部氣壓數值，驗證齒輪箱箱體內部氣壓能否自動平衡；②拆除所有呼吸器盲板和推力軸平衡氣壓孔絲堵，齒輪箱長時間運行，進行油耗試驗。實驗過程中，輸入轉速穩定在746 r/min，供油流量為350 L/min，供油壓力0.16 MPa，密封工裝處壓力為0 MPa，實驗數據見表2。

表2 氣壓試驗結果（未帶載）

（2）試驗結果：①經過6 d 的試驗，齒輪箱上部壓力表數值一直為0，說明封堵通道后，氣體可以在箱體內部自動平衡；②拆除壓力表，明顯發現該處有油霧溢出；③觀察齒輪箱輸出端，未觀察到有油霧現象；④經過5 d 的油耗試驗，耗油量為18.5 L。

通過對齒輪箱的輸出軸平衡氣壓孔及呼吸器進行完全封堵，齒輪箱未觀察到任何油霧冒出。根據壓力表測量結果，完全封堵后齒輪箱內部氣壓很低，對齒輪箱運行無任何不利影響。

所以，在該齒輪箱設計結構已經確定的情況下，選用黏度100#的潤滑油，其在油溫和齒輪嚙合及高速軸甩動下會導致油霧產生，而齒輪箱運轉產生的熱量對油霧和空氣進行加熱后，在內外部通道未完全封堵的情況下，使其從通道溢出，最終導致油霧揮發。

3 解決方案

基于原因分析和試驗結果，為了防止油霧從齒輪箱內部冒出，可以從減少齒輪箱向外部排氣點和改善齒輪箱通氣條件入手，優化、改進齒輪箱呼吸器結構，同時封堵輸出軸氣壓平衡孔，防止油霧溢出。具體方案如下：

（1）優化呼吸器結構：將原有呼吸器加大加長，呼吸器筒壁內部增設折流板，同時，為防止運行異常出現氣壓過高，設計預壓式呼吸器組件（帶有止回閥），當內部氣壓高于透氣帽設定值才開啟。

（2）封堵輸出軸氣壓平衡孔：對齒輪箱輸出軸的8 個氣壓平衡孔進行手動攻絲，安裝絲堵以封堵平衡孔（圖2）。

改造完成后，觀察一個循環周期，齒輪箱底部和上部無油霧冒出，期間未對齒輪箱進行過補油。由此驗證，該方案成熟可行。

4 結論

某電站齒輪箱油霧產生機理較為復雜，與潤滑油、溫度、壓力、設備結構等因素有關，其油霧的揮發是一個癥結性的難題。在其結構已經確定的情況下，選用100#黏度潤滑油無法阻止油霧形成，所以只能采用封堵和增加沿程阻力的方式，將油霧封閉在齒輪箱內部，利用齒輪箱內部箱體自動平衡氣壓波動。同時，使揮發的油霧凝結，減少潤滑油的外泄損耗。

最終方案的成功實施，解決了齒輪箱油霧揮發問題，減少了刺激性氣體對電站運維人員的身體傷害，同時每年還可減少潤滑油損耗約1.5 t，為電站節省成本近10 萬元。

本文從齒輪箱可能產生油霧的各個方面進行綜合分析，同時采用方法進行驗證，最終提出了成功的改造方案。其分析方法和解決思路對同類設備問題具有借鑒意義。