中壓安注泵失效原因分析及優化

林 磊，朱 文

（中國核電工程有限公司華東分公司，福建漳州 363300）

0 引言

MHSI 泵為臥式多級離心泵，轉子由泵軸、誘導輪、9 級葉輪、平衡鼓組成。MHSI 泵在調試階段首次啟動時出現轉子卡死失效事件，在處理卡死事件的過程中，又引發了芯包/筒體拉傷事件，導致泵直接不可用。為避免MHSI 泵再次出現同樣的失效事件，對本次失效的可能原因進行全面分析，并制定相應的優化方案，提高泵安全穩定運行的可靠性。本文的原因分析內容及優化方案對類似結構的臥式多級離心泵有重要的借鑒意義。

1 事件描述

某核電5 號機組MHSI 泵5RSI003PO 在首次小流量啟動后，發生轉子卡死失效事件，在對MHSI 泵解體檢查時引發偏差：筒體/芯包驅動端上、下180°方向有貫穿性拉傷劃痕；第4 級葉輪后口環/泵體耐磨環磨損嚴重（圖1a））；第4 級葉輪后口環有貫穿性拉傷劃痕（圖1b））。具體處理措施如下：更換了目數更多的入口濾網；對第4 級葉輪后口環進行打磨，至表面無高點；泵體耐磨環進行了整體更換；泵體/芯包拉傷進行微弧焊、打磨處理。

圖1 第4 級葉輪后口環和耐磨環磨損

2 原因分析

2.1 泵體/芯包劃傷

泵體/芯包劃傷原因分析為膨脹間隙未消除。由于MHSI 泵在運行過程中存在熱脹冷縮現象，需要給芯包組件預留一定的間隙，因此，在出口段與第9 級導葉段之間設計有2 mm 左右的膨脹間隙。芯包抽出前需要在非驅動端通過專用工具按照設計要求施加一定的力矩以消除膨脹間隙。由于膨脹間隙在芯包正中間位置，抽芯當中無法直接測量其間隙；若在設計力矩下未能完全消除膨脹間隙，芯包在抽出當中與筒體直接接觸，導致相互拉傷。

2.2 口環磨損、拉傷

2.2.1 口環/耐磨環材料分析

從MHSI 泵口環/耐磨環材料分析，耐磨環材料X30Cr13、葉輪口環材料為Z5CND16-04，二者均為不銹鋼材質，其材質較軟、咬合性能差，一旦有雜質進入配合間隙當中，很容易嵌入其表面；隨著芯包抽出，在結合表面處相互輕微的刮擦或劃出溝槽，刮擦產生的鐵屑隨著抽芯過程附著在配合間隙之間，從而致使轉子卡死、無法轉動。

2.2.2 口環間隙值偏小

從MHSI 泵口環間隙值方面分析，間隙應足夠大，以保證在所有規定工況下可靠運行和避免咬合。MHSI葉輪后口環直徑Φ287 mm，根據ANS1/API STANDARD 610—2010 標準[1]查知，口環的最小間隙值應為0.58 mm，廠家資料給出的間隙值為0.40～0.44 mm，解體后實測值為0.41 mm，均小于ANS1/API STANDARD 610—2010 標準中口環間隙值。由此可以判斷MHSI 泵的間隙值偏小，可能導致在運行過程中口環處摩擦，最終導致無法轉動。

2.2.3 無可靠的固定裝置

MHSI 泵非驅動端泵蓋與筒體通過18 顆螺栓固定；驅動端僅通過聯軸器與電機連接，軸承室與泵座、筒體等無直接固定裝置，驅動端芯包與筒體之間僅通過兩組O 形圈配合。MHSI 泵驅動端如圖2 所示。

圖2 MHSI 泵驅動端

經測量，驅動端芯包/筒體徑向間隙為0.20 mm，存在較大的徑向竄動量。若對中存在偏差，以及轉子撓度和膨脹間隙的影響，啟泵后將會導致芯包驅動端在軸向上存在不規律的徑向竄動，增大轉子運行過程中軸向甩動幅度，更易造成葉輪口環與耐磨環發生碰磨現象。

2.2.4 口環/耐磨環硬度偏差

從MHSI 泵口環/耐磨環硬度上分析，用硬度儀測量口環和耐磨環最大硬度值，分別為250 HB 和278 HB。查閱ANS1/API STANDARD 610—2010 標準得知，為了避免兩者咬合的情況發生，由可硬化材料制造的摩擦副耐磨表面應當具有至少50 HB 的硬度差，根據圖3 測量數據得知，MHSI 泵口環/耐磨環的硬度差值不滿足ANS1/API STANDARD 610—2010 標準要求，可能導致在運行中葉輪摩擦產生少量鐵屑，在葉輪取出時拉傷。

圖3 實測葉輪和口環硬度

2.2.5 導軸承間隙過大

因MHSI 泵軸總長達到2746 mm，兩端軸承位置跨距大，因此在中間位置設有導軸承，兩端葉輪呈對稱布置。導軸承起到支撐轉子的作用，其承載能力應滿足在所有規定工況下連續工作。導軸承處間隙設計值為0.30～0.34 mm（圖4），根據GB/T 3215—2019[2]標準查得該間隙應為0.20 mm，該泵導軸承間隙值大于標準要求。間隙過大致使導軸承在運行中未起到支撐轉子的作用，承載力僅由兩端軸承支撐，致使泵軸向下變形，屬于典型的撓性轉子，綜合導軸承間隙過大及葉輪間隙偏小等因數，轉子的撓度極易造成第3、4 級葉輪口環與耐磨環發生磨損抱軸現象，最終轉子無法轉動。

圖4 導軸承位置間隙測量

3 優化措施

3.1 優化濾網尺寸

臨時濾網由之前的0.38 mm 優化為0.18 mm，兩臺MHSI 泵在多次運行中均未發生異常。因此，調試階段在滿足泵流量揚程及系統設計要求的前提下，建議更換泵入口管道濾網精度尺寸，防止異物進入芯包內導致磨損的可能性。

3.2 優化口環間隙和材料硬度

從設備改進角度，在不影響設備功能和系統安全的前提下，建議結合ANS1/API STANDARD 610—2010標準重新評估增大口環配合間隙和改善材質及硬度，進一步降低動靜卡死的可能性。可通過金屬表面硬度強化手段，提高MHSI 泵葉輪口環表面的硬度值大于耐磨環硬度值，使口環/耐磨環硬度差至少達到ANS1/API STANDARD 610—2010 標準的50 HB，保證泵運行的可靠性。

3.3 芯包/筒體劃傷問題

結合同行經驗反饋初步判斷為芯包抽出過程中產生，建議從專用工具的結構和操作方法優化，進一步提高維修裝配可靠性。如：確保膨脹間隙完全消除的情況下，在芯包抽出過程中，將導軌的水平度調整至最佳狀態，并應不斷測量芯包的水平度，隨時觀察芯包與筒體四周的間隙，保證芯包處于筒體正中間位置，使間隙均勻可控。

3.4 增加驅動端固定裝置

通過分析驅動端固定裝置存在缺陷，可在軸承室外部焊接固定支架，使之與筒體或泵底座實現可靠的鏈接，杜絕MHSI 泵在運行時驅動端出現徑向擺動的問題，從根本上解決由該因素導致的葉輪/耐磨環磨損抱軸故障。

4 結束語

中壓安注泵作為安注系統的重要設備，也是電站內的專用安全設施，其穩定運行是電站安全穩定的重要保障。因此，針對某電廠5、6 號機組剩下的3 臺中壓安注泵需要密切關注其運行情況，秉持著質疑的態度，做好經驗反饋工作，以免出現類似問題導致設備損壞，進而安全屏障失效，從而延誤現場工期。