核電站主給水泵出力下降原因分析及處理

方吉贏，趙正興

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 過程概述

2020 年9 月15 日，秦一廠3#主給水泵運行期間出力突然下降，停泵后經檢查發現3#主給水前置泵聯軸器電機側螺栓全部斷裂，對聯軸器進行檢查發現，泵側齒套組基本完好，腔體內有濕潤油脂，電機側齒套組（損壞側）的外齒磨損嚴重，并有不規則變形，部分齒面向一側變形偏移，內齒也有輕微磨損，并且該側油脂已干涸，在齒間形成較厚油泥。

2 設備簡介

秦一廠主給水泵是單級雙吸離心泵，給水泵組主要由主給水泵、前置泵、增速齒輪箱、電機組成，主給水泵電機輸出功率3200 kW，泵的軸功率為449 kW，電機的一端直接驅動前置泵運轉，另一端則通過增速齒輪箱驅動主給水泵。其作用為將除氧器中的合格除氧水升壓后輸送至蒸汽發生器[1]。當3#主給水泵檢修期間，若1#、2#主給水泵繼續出現故障，將導致主給水流量不足，存在機組降低功率或停機、停堆的風險。

3 原因分析

3.1 事件經過

2020 年9 月15 日，秦一廠主控發蒸汽發生器A/B 低液位偏差報警，蒸汽發生器A/B 窄量程液位持續下降。檢查發現3#主給水泵出力下降，運行電流由296 A 下降至最低約170 A，主給水母管壓力由7.5 MPa 下降至至7.05 MPa。初步判斷3#主給水泵出力異常，經現場檢查發現電機—主給水前置泵聯軸器（電機側）10 顆六角鉸制孔用螺栓全部斷裂，現場有聯軸器錯位、螺栓斷裂情況（圖1、圖2）。

圖2 螺栓斷裂

主給水前置泵聯軸器為雙齒套聯軸器，即整套聯軸器分為泵側齒套組和電機側齒套組。其作用為傳遞主給水泵電機的扭矩給主給水前置泵，扭矩的傳遞順序為：電機軸聯軸器→電機側齒套→六角鉸制孔用螺栓→中間套→六角帶鉸制孔用螺栓→泵側齒套→泵側半聯軸器。斷裂螺栓為六角鉸制孔用螺栓，螺栓斷裂后電機扭矩無法傳遞，導致主給水前置泵出力下降，進而導致主給水泵出力下降。

調查發現2019 年9 月更換了整套聯軸器，回裝過程中對中等數據合格，修后試驗后啟機過程中發現自由端冒煙，修后試驗合格后3#主給水泵保持運行直至2020 年8 月機組小修正常停機，小修結束后3#主給水前置泵啟機運行，小修結束后運行至2020 年9 月15 日發生前置泵聯軸器螺栓斷裂缺陷，期間共經歷3 次設備啟停。

3.2 斷裂位置分析

從宏觀形貌上看，螺栓均斷裂在光桿位置，且8 根螺栓的斷裂位置基本一致，經測量比對，斷裂位置正好在聯軸器法蘭面的接縫位置（圖4），各螺栓的頭部尺寸和光桿直徑測量結果見表1。斷裂后的螺栓頭部長約33 mm，光桿直徑約11 mm。

表1 斷裂螺栓頭部尺寸統計

3.3 端口掃描電鏡分析

螺栓頭斷口在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，裂紋均起源于邊緣，斷面中心平整，未觀察到明顯內部缺陷，部分螺栓瞬斷區可觀察到韌窩結構，未發現解理、準解理和沿晶開裂形貌特征，具體的微觀形貌螺栓斷口A 區裂紋源區、B區疲勞條帶見圖4 和圖5。

圖3 斷裂螺栓整體形貌

圖4 螺栓斷口A 區裂紋源區

圖5 螺栓斷口B 區疲勞條帶

3.4 螺栓受力分析

3.4.1 正常工況下的剪切強度

根據該聯軸器的技術要求，轉速為1500 r/min，功率≤500 kW（實際泵的軸功率為449 kW，此處按聯軸器的最大傳遞功率500 kW 計算），以此計算螺栓的受力情況，電機軸輸出給前置泵的扭矩M軸=P軸×60÷2πn。其中，為M軸為電機軸扭矩，P軸為電機輸出給前置泵的軸功率，n 為電機轉速，經計算M軸=500×103×60÷2π×1500=3185 N·m。

電機通過聯軸器上的10 根直徑為10 mm 的螺栓將力矩傳遞到前置泵。根據圖紙可知，螺栓安裝孔半徑r 為53 mm，由此可以計算平均到每個螺栓上的剪切力F。

將螺栓參數代入，求得剪切應力τ=77 MPa。其中，10.9 級螺栓抗拉強度Rm為1268 MPa，屈服強度Rp0.2取0.9Rm，則Rp0.2=1141.2 MPa。

前置泵正常運行時，單個螺栓受到的剪應力為77 MPa，動載荷條件下屈服強度最大的安全系數，根據機械設計基準應取5，則[τ]=Rp0.2/0.5[2]=1141.2/5=228 MPa。

單個螺栓的剪切應力τ 為77MPa，小于許用剪切應力[τ]=228 MPa，該螺栓滿足使用要求。

3.4.2 異常工況下的剪切強度

由于在運行期間曾出現3#主給水前置泵自由端卡澀并冒煙的情況，這將導致前置泵扭矩增大，極端情況下會出現前置泵卡死，此時前置泵將承受電機的全部扭矩。根據泵設計手冊可知，該電機額定輸出功率為3200 kW，采用3.4.1 的方法計算得到單根螺栓的平均剪切應力τ=492.8 MPa，靜載條件下安全系數取2.5 則許用剪切強度[τ]=1141.2/2.5=456 MPa。故單根螺栓的平均剪切應力值為492.8 MPa，大于最大許用剪切強度值456 MPa，但小于實測的剪切強度值751.2 MPa。

4 事件原因

根據時序分析，2019 年10 月3#主給水前置泵自由端擋環處卡澀冒煙，導致聯軸器電機側螺栓超負荷運行，這導致前置泵扭矩增大，極端情況下會出現前置泵卡死，此時前置泵將承受電機的全部扭矩。根據該電機額定輸出功率為3200 kW，同上文算得剪切應力τ=492.8 MPa，大于許用剪切強度[τ]=1141.2/2.5(靜載條件下安全系數取2.5）=456 MPa，會導致螺栓被剪斷。雖然3#主給水前置泵實際并未發生卡死，正常情況下主給水泵機組的啟停對聯軸器螺栓無影響，不存在主給水泵機組運行過程導致的故障。但卡澀冒煙的異常工況下該螺栓承受的平均剪切應力值最大瞬時可達到492.8 MPa，超過了其許用剪切應力值456 MPa，但仍小于實測得的剪切強度值751.2 MPa，過載會在聯軸器電機側螺栓光桿表面萌生裂紋，當聯軸器螺栓已經出現裂紋時，多次的啟停會加劇裂紋的擴展，同時在后續穩定運行過程中，3#主給水前置泵聯軸器電機側的螺栓受到周期性的載荷作用，裂紋會不斷產生疲勞擴展，最終導致螺栓某個螺栓斷裂。某個螺栓斷裂后，聯軸器螺栓力矩不一致、每個螺栓受力不均勻即會使齒套的齒輪發生偏心、偏磨、發熱，使油脂干涸，而這又加快其他螺栓斷裂的進程，螺栓斷口局部可見裂紋起裂和疲勞擴展的典型特征可以佐證。

5 結論與建議

綜上，3#主給水前置泵聯軸器電機側螺栓材料化學成分、硬度、金相組織、非金屬夾雜物以及各項力學性能指標等均滿足標準要求。螺栓是因為在異常工況下受到過大載荷導致在光桿表面起裂，萌生裂紋，在后續泵啟停過程中裂紋擴展，而在泵運行過程中，裂紋在周期性載荷以及聯軸器螺栓力矩不一致、每個螺栓受力不均勻即會使齒套的齒輪發生偏心的作用下不斷發生疲勞擴展，直至最終斷裂。因此建議：

（1）盡量避免主給水前置泵在異常工況下運行，尤其要注意避免卡死的情況發生。

（2）在主給水前置泵解體維修時，通過磁粉或滲透檢驗加強對聯軸器螺栓的檢查并注意記錄螺栓安裝過程及檢查的結果。

（3）對于承受交變載荷作用的零部件，當交變載荷低于材料的疲勞極限時，如果零件表面光滑無缺陷，疲勞裂紋源難以形成，不可能發生疲勞斷裂。但當零件表面存在缺陷時，裂紋源即在缺陷導致的應力集中作用下形成。一旦產生裂紋源，在交變載荷作用下裂紋源極容易擴展，導致零部件開裂[3]。