閉式冷卻水泵軸承故障分析與處理

王運(yùn)喜,詹瑜濱,孫 營(yíng),劉喜陽(yáng),鐘 翔,廖思成

(中核國(guó)電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

1 設(shè)備描述

閉式冷卻水泵作為核電廠常規(guī)島冷卻水系統(tǒng)的唯一動(dòng)力源，為常規(guī)島設(shè)備提供冷卻水并帶走輔助設(shè)備排出的熱量。其設(shè)備運(yùn)行的好壞直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

某核電廠3/4號(hào)機(jī)組閉式冷卻水泵均為水平中開(kāi)式雙吸離心泵，由泵體、泵蓋、機(jī)械密封及轉(zhuǎn)子部件組成。轉(zhuǎn)子部件主要由軸及裝在軸上的葉輪、葉輪擋套、軸套組成，軸上零件采用平鍵和圓螺母固定、鎖緊，使之成為一個(gè)整體，整個(gè)轉(zhuǎn)子由兩端軸承支撐。其轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 故障描述

某核電廠3/4號(hào)機(jī)組共有6臺(tái)閉式冷卻水泵，運(yùn)行期間多次出現(xiàn)軸承溫度高、振動(dòng)大故障，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。2019年1月至2019年12月工作人員統(tǒng)計(jì)6臺(tái)閉式冷卻水泵共出現(xiàn)軸承溫度高、振動(dòng)大故障9次。

3 故障分析

工作人員對(duì)出現(xiàn)軸承溫度高、振動(dòng)大的閉式冷卻水泵進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)均不同程度存在驅(qū)動(dòng)端軸承傳動(dòng)鍵變形、泵軸上附著水銹、軸承油脂乳化等現(xiàn)象，如圖2～圖4所示。

圖1 閉式冷卻水泵轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)Fig.1 The rotor structure of closed cooling water pump

圖2 傳動(dòng)鍵變形Fig.2 The driving key deformed

圖3 泵軸上附著水銹Fig.3 Water rust attached on the pump shaft

圖4 軸承油脂乳化Fig.4 Emulsification of bearing grease

結(jié)合泵解體后部件缺陷情況，工作人員通過(guò)“頭腦風(fēng)暴”，從人、機(jī)、料、法、環(huán)等5個(gè)方面對(duì)閉式冷卻水泵軸承故障進(jìn)行原因分析，最終將根本原因鎖定在：

(1)軸套O形密封圈壓縮率偏小;

(2)傳動(dòng)鍵材質(zhì)強(qiáng)度不足;

(3)軸套數(shù)量過(guò)多。

3.1 軸套O形密封圈壓縮率偏小

閉式冷卻水泵轉(zhuǎn)子部件單邊4個(gè)軸套，共計(jì)8個(gè)軸套，兩種規(guī)格軸套O形圈分布如圖5所示。

O形圈1，規(guī)格為φ90 mm×3.55 mm。O形圈2/3/4，規(guī)格為φ75 mm×2.65 mm。對(duì)應(yīng)的溝槽形式如圖6所示。

圖5 軸套O形圈布置圖Fig.5 The layout of shaft sleeve O-rings

圖6 軸套O形圈溝槽示意圖Fig.6 The schematic of O-ring groove of the shaft sleeve

在解體閉式冷卻水泵時(shí)，對(duì)軸套上的O形圈溝槽進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出O形圈壓縮率，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3452.3—2005，液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈溝槽尺寸要求，見(jiàn)表2。閉式冷卻水泵軸套上徑向安裝、靜密封的O形圈，規(guī)格φ90×3.55推薦的溝槽寬度為4.8、深度為2.9，壓縮率要求為11.5%～27.5%，規(guī)格φ75×2.65推薦的溝槽寬度為3.6、深度為2.0，壓縮率要求為13.0%～28.0%。

對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3452.3—2005，實(shí)測(cè)確認(rèn)閉式冷卻水泵部分與O形圈匹配的溝槽偏大，在安裝使用時(shí)影響O形圈壓縮量，進(jìn)而影響閉式冷卻水泵軸套密封效果。

3.2 傳動(dòng)鍵材質(zhì)強(qiáng)度不足

3.2.1 傳動(dòng)鍵的相關(guān)參數(shù)

對(duì)閉式冷卻水泵傳動(dòng)鍵的材質(zhì)進(jìn)行光譜檢測(cè)為35號(hào)鋼，其材料性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 軸套O形圈溝槽數(shù)據(jù)Table 1 Data of the O-ring groove of the shaft sleeve

表2 O形圈推薦溝槽設(shè)計(jì)(GB_T 3452.3—2005)Table 2 Recommended design of the O-ring groove

表3 35號(hào)鋼材料性能Table 3 Materialproperties of 35# steel

驅(qū)動(dòng)端軸承傳動(dòng)鍵的規(guī)格b×h×l為8×12×32 mm，示意圖如圖7。

圖7 傳動(dòng)鍵規(guī)格Fig.7 Specifications of the driving key

3.2.2 35號(hào)鋼傳動(dòng)鍵的力學(xué)性能

傳動(dòng)鍵的使用需要滿足泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中對(duì)其施加的剪切力和擠壓力要求，分別進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)。

結(jié)合表3，35號(hào)鋼傳動(dòng)鍵，許用切應(yīng)力為：

[τ]=0.7σb=0.7×530=371 MPa

許用擠壓應(yīng)力:

3.2.3 35號(hào)鋼傳動(dòng)鍵的強(qiáng)度校核

查詢閉式冷卻水泵運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)，其基本參數(shù)如表4所示。

表4 閉式冷卻水泵基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of the closed cooling water pump

35號(hào)鋼傳動(dòng)鍵，實(shí)際承受的剪切力：

可計(jì)算得出：

35號(hào)鋼傳動(dòng)鍵，實(shí)際承受的擠壓力：

Abs=b×l

計(jì)算結(jié)果表明：35號(hào)鋼材質(zhì)傳動(dòng)鍵實(shí)際所承受的切應(yīng)力小于其許用切應(yīng)力，滿足剪切強(qiáng)度的要求。但實(shí)際所承受的擠壓力大于其許用擠壓應(yīng)力的下限，在閉式冷卻水泵長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，傳動(dòng)鍵會(huì)發(fā)生擠壓變形。

3.3 軸套數(shù)量過(guò)多

閉式冷卻水泵設(shè)計(jì)單邊4個(gè)軸套，共計(jì)8個(gè)軸套。泵葉輪位置、軸套之間密封的密封力均由非驅(qū)動(dòng)端圓螺母進(jìn)行固定。其軸套布置圖如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of the rotor parts

泵軸套數(shù)量多，潛在密封滲漏點(diǎn)多，若在檢修裝配時(shí)，軸套與軸套之間存在微小異物，軸套與泵軸相對(duì)同心度超差，會(huì)使泵軸非驅(qū)動(dòng)端圓螺母鎖緊后葉輪位置、軸套之間密封的密封力仍然不足以實(shí)現(xiàn)完全密封，導(dǎo)致工作液進(jìn)入軸承室，引起軸承溫度高、振動(dòng)大等缺陷。

查閱閉式冷卻水泵歷史檢修記錄，調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)閉式冷卻水泵轉(zhuǎn)子部件在安裝軸系軸套O形圈與不安裝軸系軸套O形圈情況下，圓螺母鎖緊后軸頭至非驅(qū)動(dòng)端軸承外端面距離差最小為0.02 mm，最大為0.08 mm，如表5所示。

表5 現(xiàn)場(chǎng)閉式冷卻水泵軸頭至非驅(qū)動(dòng)端軸承外端面距離差Table 5 The distance difference between the shaft head of on-site closed cooling water pump and the outer end surface of the non-driving end bearing

工作人員利用假軸制作軸套密封打壓工裝。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 14211，在軸套組裝完成后，用0.75 MPa的工作介質(zhì)打壓，保壓15 min，查看保壓情況判斷在安裝軸系軸套O形圈與不安裝軸系軸套O形圈情況下，圓螺母鎖緊后軸頭至非驅(qū)動(dòng)端軸承外端面距離差對(duì)轉(zhuǎn)子部件密封產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 打壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Pressure test data

試驗(yàn)結(jié)果表明：在安裝軸系軸套O形圈與不安裝軸系軸套O形圈情況下，圓螺母鎖緊后軸頭至非驅(qū)動(dòng)端軸承外端面距離差≥0.05 mm時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子部件密封產(chǎn)生的影響。而閉式冷卻水泵軸套數(shù)量多，檢修難于控制，現(xiàn)場(chǎng)部分閉式冷卻水泵安裝距離差≥0.05 mm，泵軸非驅(qū)動(dòng)端圓螺母鎖緊后葉輪位置、軸套之間密封的密封力不足以實(shí)現(xiàn)完全密封。

4 故障處理

4.1 根據(jù)傳動(dòng)鍵承受的擠壓力，選擇材質(zhì)強(qiáng)度足夠的傳動(dòng)鍵

根據(jù)閉式冷卻水泵傳動(dòng)鍵實(shí)際承受的剪切力和擠壓力，初步確定將鍵的材質(zhì)提升至45號(hào)鋼，其材料性能參數(shù)如表7所示。

表7 45號(hào)鋼材料性能Table 7 Material properties of 45# steel

結(jié)合表6，45號(hào)鋼傳動(dòng)鍵，許用切應(yīng)力為：

[τ]=0.7σb=0.7×600=420 MPa

許用擠壓應(yīng)力:

根據(jù)3.2.3節(jié)計(jì)算，泵傳動(dòng)鍵實(shí)際承受的剪切力為183 MPa，擠壓力為235.2 MPa，均小于45號(hào)鋼材質(zhì)傳動(dòng)鍵的許用剪切力和許用擠壓力。

4.2 取消葉輪定位軸套、軸套O形圈，設(shè)計(jì)葉輪鎖緊螺母替代原軸套進(jìn)行葉輪定位

針對(duì)閉式冷卻水泵軸套數(shù)量過(guò)多和軸套O形圈壓縮率偏小導(dǎo)致工作介質(zhì)沿軸滲入軸承室乳化潤(rùn)滑脂問(wèn)題，工作人員討論確定重新設(shè)計(jì)泵軸，取消軸套、軸套O形圈，設(shè)計(jì)葉輪鎖緊螺母替代原軸套進(jìn)行葉輪定位，詳細(xì)要求如下。泵新主軸轉(zhuǎn)子部件如圖9所示。

1)主軸設(shè)計(jì)為階梯軸，將原軸系軸套及軸套O形密封圈取消，解決工作介質(zhì)從軸系軸套密封處滲入軸承室乳化潤(rùn)滑脂問(wèn)題；

2)葉輪的調(diào)整及定位采用兩端的葉輪鎖緊螺母進(jìn)行調(diào)整，使葉輪定位更加方便；

3)葉輪位置主軸軸徑由φ76 mm加大至φ92 mm，擴(kuò)大葉輪內(nèi)徑與主軸配合安裝且原泵型的泵體、泵蓋仍可使用，保持泵原水力性能不變。

4.2.1 泵軸的最小軸徑dmin核算

閉式冷卻水泵新設(shè)計(jì)主軸采用45號(hào)鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度計(jì)算按45號(hào)鋼核算

[τ]=(441～539)×105N/m2

泵軸傳遞的扭矩為：

=1468 kg·cm

可計(jì)算得出：

=51.4～55 mm

如圖9所示，閉式冷卻水泵新設(shè)計(jì)主軸最小軸徑在兩端軸承位置，軸徑為60 mm>51.4～55 mm，且在兩端軸承處有軸套加強(qiáng)，完全能滿足閉式冷卻水泵運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

圖9 新主軸轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of new spindle rotor components

4.2.2 葉輪強(qiáng)度核算

閉式冷卻水泵葉輪材料采用ZG1Cr18Ni9Ti。

綜上核算，葉輪強(qiáng)度滿足閉式冷卻水泵運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

閉式冷卻水泵轉(zhuǎn)子部件經(jīng)過(guò)針對(duì)性的改進(jìn)后，從2020年7月運(yùn)行至今未出現(xiàn)軸承溫度高、振動(dòng)大缺陷，軸承故障處理取得了良好的效果，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了有力的保障。

同時(shí)，引起泵軸承故障的原因是多方面的，重要的是根據(jù)軸承故障時(shí)的現(xiàn)象結(jié)合解體時(shí)設(shè)備零部件的異常準(zhǔn)確判斷出軸承故障的根本原因。由此制定針對(duì)性的方案，最終將缺陷圓滿解決。