鼓形濾網減速箱軸承故障原因分析

李海秋

（陽江核電有限公司，廣東陽江 529941）

0 引言

鼓形濾網是核電站冷源最重要的海水過濾設備，多電廠先后多次出現故障，對比多電廠鼓形濾網減速箱安裝使用情況，分析其設備的使用差異，從發生時間、設計型號、改造等多方面分析，找出故障原因。通過多個電廠出現的故障類型，對軸承故障原因進行多維度、多角度分析歸類總結。

1 設備簡介

鼓形濾網是核電站冷源最重要的海水過濾設備，為核電站全廠冷源的重要敏感設備。因鼓形濾網設備原因導致機組降功率事件也有發生，鼓形濾網的穩定運行對核電站的安全運行極其重要，對核安全起到至關重要的作用。

鼓形濾網的驅動由電機帶動減速箱，減速箱輸出驅動軸通過小齒輪和鼓形濾網外圈的大齒圈嚙合，從而驅動鼓形濾網旋轉。減速箱由中高速一級減速箱、二級減速箱、低速一級減速箱組成，各級減速箱為CAVEX 的CDA 系列渦輪蝸桿減速箱，原始結構形式一級都為懸臂式結構，見圖1。

圖1 CDA120/CDA225 減速箱組合

2 軸承故障及原因分析

鼓形濾網主要故障都集中表現在中高速一級減速箱，具體現象為渦輪上部軸承損壞，此故障會導致鼓形濾網無法運行，若短時無法處理，可能導致鼓形濾網壓差升高，帶來系列后續問題，給機組冷源帶來危險，最終威脅核安全。

2.1 減速箱結構

目前多電廠中高速一級減速箱的型號為同一結構系列，三種型號分別為CDA120、CDA140、CDA160，因減速箱型號不同因此渦輪空心軸上的軸承型號也不同，早期出廠設計時電機底部無任何支撐，見圖2。

圖2 中高速一級減速箱結構

2.2 減速箱軸承故障

多電廠發生軸承故障，均為渦輪空心軸上部軸承損壞，群廠共模故障，且出現故障的時間點主要集中在2015 年底到2017 年，而且都是CDA120 型號減速箱。對軸承缺陷進行檢查，故障現象基本是：軸承6017 已損壞，軸承保持架斷裂，滾珠磨損嚴重或者破裂，滾珠表面存在剝落現象，軸承內圈受到不同程度的磨損。

2.3 原因分析

2.3.1 時間上分析

結合現場的故障時間，可將故障情況分為3 個時間段：

（1）從機組商運開始到2015 年10 月

最早機組2002 年5 月就已經開始商運，但是僅僅2009 年發生故障一次。在此時間階段內，冷源海域情況良好，未發生任何冷源影響機組運行的情況，也很少各種冷源應急措施。此階段只有一次故障。

（2）2015 年11 月到2017 年

2015 年底開始，多電廠先后出現過進水明渠（或者隧道）海生物增多事件。為了保障機組的安全穩定運行，對冷源格外關注，為減少鼓形濾網的壓差高，避免機組停循環水泵降功率以至停機停堆，必須及時處理解決。比較有效的早期措施就是盡快啟動中高速電機，以至中高速電機啟停頻率、運行時間增加。而且該階段，中高速電機提升功率改造，更換了電機型號，電機重量增加，而且最初早期改造未在電機底部增加支撐。此階段故障最多，而且是多基地多個設備出現。

（3）2018 年以后

此階段已經完成中高速電機功率提升，并在完成改造后電機底部增加彈性支撐，進水渠增加優化了攔截措施，冷源相對風險減小，鼓形濾網在中高速運行的情況良好，沒有出現中高速一級減速箱軸承故障。此階段目前基本無大的故障。

通過以上不同時間段的分析，冷源的海生物對鼓形濾網的運行產生了影響，頻繁啟停多中高速電機對減速箱的壽命產生了直接影響，明顯鼓形濾網在中高速運行的時間增多，既減速箱在中高速運行時間多，軸承壽命有限導致故障多。

2.3.2 減速箱型號分析

目前出現軸承故障的都是CDA120 型減速箱，而其他型號從商運到當前還未出現故障，需要對不同型號的減速箱軸承進行對比分析。

從鼓形濾網減速箱布置（圖3）[2]可以看出，中高速電機結構為單向懸臂結構，下部無支撐，既蝸輪蝸桿減速機是空心軸立式安裝，減速機的本體的自重只能由與外部鏈接的部件承擔，也就是輸出空心軸承擔，重量最終由上部軸承承受，減速機本體還有電機和其他附件（潤滑油、計數器減速箱）及渦輪蝸桿傳動時產生的軸向力，因此軸承的受力與軸承的壽命計算時需考慮到本身及附件的重量。蝸輪蝸桿受力分析如圖4 所示。

CDA120 減速箱渦輪軸所使用軸承為深溝球軸承6017，上下各一個，該軸承主要承受徑向力，只能承受較小軸向力，跟徑向游隙相關，增大徑向游隙時，具有角接觸軸承的功能，可承受一定軸向載荷，但不能單獨承受。當此類型軸承承受較大軸向力時，使用壽命將大大降低，這是軸承損壞的主要原因。深溝球軸承選用的一般情況下軸向力不得超過0.5C0，過大的軸向負荷會大幅降低軸承的工作壽命。而且承受的軸向力大小與軸承的內部游隙有直接的關系，游隙越大鋼球在軸向位置運動的范圍也就越大，所能承受的軸向力也就越大，但是游隙也不能盲目的大，如果游隙過大，導致在此單伸展軸（不對稱）懸臂情況下，安裝在末端的電機振動就越大，因此不能選擇大游隙（例如C3、C4、C5），而選擇的是常規的普通游隙組（0.012～0.036 mm）。

圖3 減速箱布置

圖4 減速箱受力分析

對損壞的軸承進行專業失效分析，分析表明軸承在運轉過程中承受較大軸向載荷，軸承外圈產生較大內應力，保持架頻繁受到沖擊載荷，這使得軸承疲勞壽命大大縮短。中高速電機的頻繁切換加速了軸承的疲勞剝落，導致最終的失效，既上部軸承內外圈受力不均勻且受力方向不斷變化，及長期承受交變載荷，最終導致軸承損壞。

減速箱的型號不同，減速箱內部選用的軸承不同，尺寸越大，在電機相同情況下軸承的基本額定載荷就越大，直接決定了能否滿足設備運行要求。軸承分析見表1。

表1 軸承力學參數及軸承壽命

2.3.3 電機功率提升改造影響分析

對于中高速電機功率偏小問題，多電廠電機改造換型，電機重量增加，增加了減速箱上部軸承的軸向受力，縮短了軸承使用壽命（表1）。在最初改造設計分析時只考慮了減速箱連接的法蘭強度，未對減速箱內部受力進行分析，未考慮中高速電機重量增加對軸承壽命的影響，因此CDA120 減速箱未同步更改型號，電機安裝方式也未改變。中高速電機換型之后，多次出現故障，在設備解體后，確認都是中高速減速箱上部軸承損壞。

而后期改造時考慮到了電機重量變化影響，就直接電機底部增加支撐，則未再發生減速箱上部軸承損壞故障。

2.4 改進措施

2.4.1 更改為臥式結構

當前使用的CAVEX 系列CDA 型懸臂式減速箱整體更換為臥式減速箱，已有電廠將減速箱改造為臥式減速箱H4SH09減速機。對比90 年代商運的核電機組，原始設計為雪鐵龍臥式減速箱的鼓形濾網設備，運行20 多年，減速箱故障率非常低，設備穩定，運行可靠，因此臥式結構是目前最可靠、故障最少的減速箱。

2.4.2 更換減速箱型號

對于核電的百萬機組，曾經普遍使用的CDA120 減速箱，已經明顯不能滿足于設備運行需求，不改變結構形式應更換使用更大型號減速箱，如選擇CDA160。減速箱的型號不同，對應的軸承不同，在負載相同情況下，軸承的壽命也就不同。最初安裝使用CDA140 減速箱鼓形濾網，從商運開始到至今，還未出現過軸承損壞的故障。

2.4.3 電機底部增加支撐

由于電機是懸臂安裝，導致電機重量都是由減速箱的上部軸承承受，而在中高速電機的底部增加支撐，有效分擔了中高速一級減速箱渦輪上部軸承的軸向載荷，減少了減速箱懸臂結構的承載和軸承的軸向力，能延長軸承的使用壽命。

鼓形濾網本體為現場拼裝結構，齒輪接合位置、圓度等與理論存在偏差，因此需考慮的內應力的綜合影響，減速箱的末端（電機）需要具備一定的靈活性，避免因內應力的影響導致減速箱異常磨損，因此彈性支撐是比較理想的選擇。既能滿足現場電機重量支撐要求，提升減速箱軸承其可靠性及使用壽命，又能承受鼓形濾網圓度內應力的影響，保障設備能在正常運行。

2.4.4 軸承改造換型

CDA 系列中高速減速箱蝸輪軸軸承選用深溝球軸承，該軸承抗徑向載荷能力強，但抵御軸向載荷承受能力不足，因此在不更換減速箱的情況下，對軸承進行改造換型也是個選擇，軸承改造選型分析選擇見表2。

表2 CDA120 軸承改造選擇

3 結束語

通過多年對核電站鼓形濾網減速箱的檢修，對減速箱軸承故障進行多維度原因分析，并進行針對性的改進。對提升減速箱故障排查、檢修等方面具有重要意義，為核電站冷源保障和機組安全運行奠定了重要基礎。