核電廠給水泵液力耦合器增速齒輪頻繁損傷分析及預防

賀湘江，車銀輝，陳 強，祖 帥

（1.廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538000；2.蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

主給水系統是核電廠二回路的重要系統，承擔著向蒸汽發生器提供升壓加熱后的給水重要功能[1]。電動主給水泵組由前置泵、壓力級泵、電機和液力耦合器組成，是主給水系統的核心設備，對核電廠運行的經濟性、穩定性和安全性有著重要影響[2]。近幾年某核電廠給水泵液力耦合器多次發生齒輪損傷問題，因此有必要對其原因進行深入分析，開發早期缺陷的無損檢測技術，消除液力耦合器齒輪服役缺陷，為給水泵的安全穩定運行提供技術保障。

1 液力耦合器結構

某核電廠使用的液力耦合器為德國VOITH（福伊特）公司生產的RKM 型齒輪式變速耦合器[3]，主要由增速齒輪副、傳遞力矩的泵輪和渦輪及控制系統組成（圖1）。該型耦合器的輸入軸與電機軸相連，通過齒輪傳動比將低轉速變為高轉速，帶動耦合器泵輪旋轉，泵輪通過工作液體能傳遞給渦輪葉片，渦輪再將吸收的液體能傳遞給壓力級泵。液力耦合器通過勺管調節改變離心力大小并調節渦輪轉速，即改變給水泵的轉速。液力耦合器齒輪為雙齒嚙合，采用斜齒輪設計，齒輪材料為18CrNiMo7-6、表面采用滲碳淬硬層來提高硬度。

圖1 液力耦合器結構

2 增速齒輪輪齒損傷原因分析

RKM 型液力耦合器由于具有良好的軟啟動性、過載保護、功率平衡和無級調速等性能，被廣泛應用于核電廠給水泵組。隨著大量的RKM 型液力耦合器服役，已陸續發生了3 起液力耦合器增速齒輪損傷事件，嚴重影響到機組的安全運行。針對3 起液力耦合器齒輪損傷事件，首先從材料學方面明確齒輪損傷性質，然后從設計、制造、安裝等方面開展系統分析，為全方面提高液力耦合器齒輪運維的可靠性奠定基礎。

2.1 增速齒輪材料剝落

核電廠一臺機組商運1.5 年后，給水泵液力耦合器第一次執行年度檢查發現，增速齒輪中的小齒輪齒面發生材料剝落以及開裂缺陷（圖2）。經目視檢查，部分齒輪發生變形現象，為剝落后的材料嵌入齒輪工作面造成的后果。通過材料成分、磁粉無損檢測、硬度檢測、微觀形貌觀察等分析，增速齒輪副只有一顆輪齒受損，受損的輪齒起源于齒根部位，源區附近有一條細的磨削燒傷線（圖3）。綜合分析認為，造成齒輪損傷的主要原因：磨削燒傷過熱，導致拉伸殘余應力增大，從而使齒輪服役中疲勞開裂。

圖2 增速齒輪齒面剝落形貌（小齒輪）

圖3 增速齒輪齒面剝落形貌（齒輪副）

2.2 增速齒輪斷齒

某臺機組給水泵液力耦合器已服役四年多，執行第二次年度檢查發現，增速齒輪中的小齒輪1 顆輪齒斷裂缺失，其斷裂長度約占齒總長度的80%（圖4）。故障齒輪材料檢測分析結果表明，輪齒起源于齒根部位。通過斷面上的疲勞條帶，明確裂紋源位于滲碳層厚度附近。材料組織存在一定的孔洞及非金屬夾雜物，直徑為28.16 μm 圓形缺陷（圖5）。這些孔洞及非金屬夾雜物在齒輪服役的過程中會成為應力集中的區域，導致其受到的力明顯增大，在該齒輪不斷重復“嚙合—分離”的過程中，承受較大的循環應力，促進了故障齒的疲勞起裂。

圖4 第二起增速齒輪斷裂形貌

圖5 第二起斷裂輪齒金相組織夾雜

另一臺機組給水泵液力耦合器服役6 年后，執行第四次年度檢查發現，增速齒輪副中的小齒輪1 顆輪齒斷裂，其斷裂長度約占齒總長度的50%（圖6）。根據故障齒輪檢測分析結果，斷裂輪齒源區位于齒根部位，其斷裂性質為接觸疲勞。硬度檢測結果表明（圖7），齒輪的表面硬度（最大值803 HV）和硬化層深度（1.06～1.42 mm），不符合JB/T 13027—2017《重載齒輪滲碳熱處理技術要求》標準要求（硬度最大值為765 HV，硬化深度為1.30～1.80 mm）。硬度異常會導致齒輪的耐磨性能下降，對其接觸疲勞壽命有不利影響。

圖6 第三起增速齒輪斷裂形貌

圖7 斷裂輪齒滲碳硬化層測量深度

2.3 齒輪損傷共因分析

3 起液力耦合器損傷的齒輪均位于液力耦合器高速端，且裂紋源都位于齒輪根部位置。建立增速齒輪有限元分析模型，動態嚙合情況下的齒輪應力計算結果為675.36 MPa（圖8），小于材料的疲勞極限強度（987 MPa），服役疲勞壽命為71 740.12 d，可以排除設計結構存在先天不足的可能。為了評估微缺陷對齒輪疲勞壽命的影響，采用相場法建立齒輪有限元模型（圖9），施加工作載荷下高速齒輪上的不同微缺陷尺寸周期性疲勞擴展壽命（圖10）。宏觀裂紋長度為0.5 mm 時，高速齒輪剩余使用壽命仍可達到9.07×108次，即可使用126 d，同時增速齒輪副的安裝記錄和運行參數未見異常。綜合上述分析結果，增速齒輪存在制造質量缺陷（齒面局部磨削燒傷、齒面滲碳層不足、材料組織微缺陷），易改變齒輪根部應力狀態，在多次應力交變循環后發生疲勞開裂。

圖8 高速齒動態應力分析結果

圖9 相場法裂紋擴展數值模型

圖10 宏觀裂紋擴展速率

3 預防檢測技術研究

齒輪現有的無損檢測技術為滲透檢測和磁粉檢測，均需要拆解液力耦合器增速齒輪箱，對單個齒輪進行檢測[4]。這將導致減速箱的拆解安裝工作量大，影響大修工期。為此，電廠針對性開發出適用于現場齒輪檢測的陣列渦流檢測技術，在齒輪箱不解體情況下可清晰分辨出齒輪齒根應力集中區域的表面缺陷（深0.02 mm、寬0.12 mm）。上述3 種無損檢測技術只適用于服役中齒輪表面已擴展一定長度（大于0.1 mm）的裂紋，現場應用之后依舊發生第三起齒輪斷齒損傷事件。

根據增速齒輪損傷共因分析結果，利用“巴克豪森噪聲”檢測技術（磁彈法）[5]，定制開發斜齒輪專用的檢測面掃探頭（圖11）。即利用齒輪鐵磁性材料的磁學性能反應材料的內部微觀組織的變化，如燒傷[6]、硬度分布和應力場，通過磁矩的轉動而產生力躍變信號，類似于示波器之類（圖12）。巴克豪森信號與硬度成反比、與拉應力成正比，以實現以下兩種管控目標：

圖11 “巴克豪森噪聲”檢測技術示意

圖12 巴克豪森噪聲信號示意

（1）齒輪服役前，備件齒輪質量的管控：利用該檢測技術，通過燒傷、應力、硬度等實驗，可以統計出相應的巴克豪森信號數值或范圍，從源頭控制備件齒輪入庫質量、增強齒輪抗疲勞強度。

（2）齒輪服役中檢測，提前預知疲勞斷裂：齒輪服役前已根據設定的巴克豪森數值標準驗收，但是隨著載荷循環次數的增加，齒輪表面一旦出現燒傷、軟點或殘余拉應力，定期對服役中的齒輪進行巴克豪森無損檢測能提前發現，從而及時更換缺陷齒輪。

4 結束語

隨著大量的RKM 型液力耦合器服役，液力耦合器齒輪頻繁由于制造缺陷出現損傷問題，現場缺乏齒輪表面狀態高精度無損檢測工具。根據液力耦合器增速齒輪損傷共因分析結果，輪齒損傷與磨削燒傷、硬度、應力等密切相關，提出利用“巴克豪森噪聲”檢測技術優點，可以精準反映輪齒表面的磨削燒傷、硬度分析及殘余應力分布情況，實現一器多用，為消除液力耦合器齒輪制造缺陷引發的損壞風險提供借鑒。