核電站屏蔽主泵推力軸承運(yùn)行與維護(hù)探討

1、https:/核電站屏蔽主泵推力軸承運(yùn)行與維護(hù)探討核電站屏蔽主泵推力軸承運(yùn)行與維護(hù)探討摘要：水潤(rùn)滑石墨推力軸承是第三代核電站屏蔽主泵的重要部件，同時(shí)也是易損部件，目前還沒有針對(duì)該部件的運(yùn)行和維護(hù)說明。文章基于屏蔽主泵推力軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行工況，對(duì)各種運(yùn)行條件下的影響因素進(jìn)行了分析，提出了運(yùn)行注意事項(xiàng)和維護(hù)項(xiàng)目。關(guān)鍵詞：核電站；屏蔽主泵；水潤(rùn)滑；推力軸承；液膜 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A國(guó)內(nèi)在建的由美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的第三代核電站項(xiàng)目首次采用大型立式屏蔽泵作為壓水堆核電站主冷卻劑泵，其也是全球工業(yè)迄今為止最大的屏蔽泵，該泵尚未投入運(yùn)行（下文簡(jiǎn)稱“屏蔽主泵”）。屏蔽泵作為一種無泄漏密封泵，多應(yīng)用于化工及醫(yī)藥行業(yè)

2、輸送有毒有害液體、艦船及試驗(yàn)用小型核反應(yīng)堆，但相較之核電站屏蔽主泵性能參數(shù)要小很多。屏蔽主泵的推力軸承設(shè)置在泵體內(nèi)部，與輸送介質(zhì)直接接觸，并通過介質(zhì)潤(rùn)滑。與常規(guī)的油潤(rùn)滑推力軸承相比，立式屏蔽泵推力軸承不需要配套的油系統(tǒng)提供支持，并消除了潤(rùn)滑油帶來的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、減小了整泵的空間需求。屏蔽主泵無泄漏和低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)提升了核電站的安全系數(shù)，然而相當(dāng)性能參數(shù)條件下，由于設(shè)備內(nèi)部空間的制約和潤(rùn)滑劑黏度低等因素，給屏蔽主泵推力軸承的設(shè)計(jì)和制造增加了難度，同時(shí)也對(duì)運(yùn)行和維護(hù)提出了更高的要求。本文立足屏蔽主泵推力軸承的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，探討該泵推力軸承運(yùn)行的關(guān)注點(diǎn)以及維護(hù)的要點(diǎn)。1 屏蔽主泵推力軸承的結(jié)構(gòu)和原理屏蔽主

3、泵共有三個(gè)軸承，兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)推力軸承，都在電機(jī)一側(cè)，軸承采用水潤(rùn)滑方式。徑向軸承為圓柱形滑動(dòng)軸承，主要用于平衡由水力、電磁等產(chǎn)生的徑向不平衡力；屏蔽主泵推力軸承較之徑向軸承結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，主要用于平衡由水力部件和轉(zhuǎn)子自重所產(chǎn)生的軸向力。屏蔽主泵推力軸承為雙向推力軸承，推力軸承的推力盤與下部飛輪組合成一體，推力軸承上下兩側(cè)的推力瓦組件結(jié)構(gòu)相同，均由六個(gè)推力瓦、六個(gè)正向平衡板、六個(gè)反向平衡板、基礎(chǔ)環(huán)和銷釘、彈簧、螺釘?shù)炔考M成。屏蔽主泵啟動(dòng)時(shí)，隨著推力盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度的提升，推力盤與推力瓦之間快速形成水膜，兩者之間的摩擦由干燥摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)摩擦（即通過液膜接觸）。正常運(yùn)行時(shí)，軸向載荷通過推力盤依次

4、傳遞到軸瓦、平衡板、基礎(chǔ)環(huán)。每個(gè)推力瓦的正下方是正向平衡板，軸瓦與平衡板之間通過球面相接觸，六個(gè)正向平衡板和六個(gè)反向平衡板錯(cuò)位布置、首尾相搭接，相互傳遞力矩，使各軸瓦所承受的載荷趨于平衡。圖 1 屏蔽主泵推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖https:/推力軸承的上、下推力盤熱裝在下部飛輪兩側(cè)的泵軸上，推力盤母材為600 合金材料，兩面均有經(jīng)熱等靜壓工藝處理的司太立硬質(zhì)合金層，以提高其耐磨性，進(jìn)而減少推力瓦運(yùn)行時(shí)對(duì)其造成的磨損。推力瓦表面為石墨材料，依靠側(cè)夾板固定在瓦托上，石墨本身分子結(jié)構(gòu)決定了其具有一定的自潤(rùn)滑性能和較小的摩擦系數(shù)。2 屏蔽主泵推力軸承的運(yùn)行分析正常工況下，屏蔽主泵的運(yùn)行可分為三個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階

5、段、全速運(yùn)行與停運(yùn)階段。當(dāng)核電站意外失去廠用電源時(shí)，要求屏蔽主泵能夠依靠“飛輪”的慣性可靠地惰轉(zhuǎn)足夠長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)單臺(tái)屏蔽主泵停運(yùn)時(shí)，設(shè)計(jì)上允許該泵在系統(tǒng)介質(zhì)作用下反向旋轉(zhuǎn)。下文對(duì)核電站系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行過程中影響推力軸承穩(wěn)定可靠運(yùn)行的幾個(gè)因素進(jìn)行分析。2.1 轉(zhuǎn)速如由文獻(xiàn)推導(dǎo)所得，影響推力軸承形成穩(wěn)定的動(dòng)壓液膜（推力盤與推力瓦之間由干燥摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)摩擦）的主要條件包括：推力盤與推力瓦的幾何結(jié)構(gòu)、兩者之間形成楔形的間隙、并從楔形間隙較大的一側(cè)向較小的一側(cè)的形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 V，潤(rùn)滑劑的黏度。當(dāng)屏蔽主泵制造完成后，除轉(zhuǎn)動(dòng)速度 V 和潤(rùn)滑劑黏度，其他條件固定不變，V 和與液膜厚度成正比。正常啟動(dòng)至穩(wěn)定運(yùn)

6、行過程中，潤(rùn)滑劑黏度因溫度升高而減小，但其對(duì)液膜影響的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)動(dòng)速度。2.1.1 低速運(yùn)行。屏蔽主泵在正常啟停、惰轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)過程中都會(huì)有一段時(shí)間處于低速運(yùn)行，伴隨著液膜建立或消失過程，推力軸承推力盤和推力瓦之間經(jīng)歷“干燥摩擦-邊界摩擦-液態(tài)摩擦”或相反的作用過程。干燥摩擦狀態(tài)的摩擦是遵守庫(kù)侖法則的，也就是說摩擦力 F 與垂直載荷 P成正比，用公式表示為：式中： 摩擦系數(shù)邊界摩擦狀態(tài)下，固體表面雖吸附有分子膜（一般厚度為 10-6mm），但是這種吸附層沒有液體流動(dòng)，因此它也大致遵守庫(kù)侖摩擦法則。屏蔽主泵“倒掛”于蒸汽發(fā)生器下部的泵殼上，和常規(guī)“正立”布置的主泵恰好相反；屏蔽主泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部件全部位

7、于工藝系統(tǒng)壓力邊界之內(nèi)，不承受系統(tǒng)壓力載荷。由圖 2 可知，屏蔽主泵在運(yùn)行時(shí)承載力為轉(zhuǎn)動(dòng)部件重力 G 與運(yùn)輸介質(zhì)反作用力 F 之差。正常啟動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，作用力 F 逐漸變大，推力軸承承載力減小，有利于初期液膜的建立，也減小了這一階段的摩擦力 F。但長(zhǎng)期處于這一階段，接觸面的摩擦損耗將增加，產(chǎn)生的熱量也將增加，推力軸承的運(yùn)行環(huán)境逐步發(fā)生不同程度的惡化，甚至可能發(fā)生損壞。某核電站相似設(shè)計(jì)的推https:/力軸承在主泵惰轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生了燒瓦事故。屏蔽主泵設(shè)有一個(gè)安全相關(guān)的轉(zhuǎn)速探測(cè)器以監(jiān)測(cè)主泵轉(zhuǎn)速，其輸入信號(hào)可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)速低報(bào)警，也可產(chǎn)生主泵轉(zhuǎn)速低停堆信號(hào)。圖 2 屏蔽主泵轉(zhuǎn)子軸向受力示意圖式中： 單

8、位面積上的切向力（剪力） 沿垂直于摩擦面方向的速度梯度而摩擦力。在啟、停階段，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求，屏蔽主泵需要在系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到相應(yīng)值后才能逐步升至全速運(yùn)行。為了避免主泵在其共振頻率附近長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，主泵轉(zhuǎn)速設(shè)定值只能在確定的若干離散數(shù)值中直接選取，用于系統(tǒng)不同工況的運(yùn)行需求，例如提供穩(wěn)壓器噴淋等。低速運(yùn)行時(shí)，推力盤和推力瓦之間的潤(rùn)滑劑處于層流狀態(tài)；隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加，部分潤(rùn)滑劑流動(dòng)雷諾數(shù)超過 23002800 時(shí)，潤(rùn)滑劑層流就不可能存在了，一旦有小擾動(dòng)，擾動(dòng)會(huì)增長(zhǎng)而轉(zhuǎn)變成湍流。尤其在推力瓦與推力瓦之間的“溝壑”內(nèi)，湍流可能形成交變壓力場(chǎng)和周期振動(dòng)等水力環(huán)境，在交變應(yīng)力或共振作用下，剛度不足的部

9、件可能在應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)疲勞失效。某推力軸承試驗(yàn)過程中曾出現(xiàn)過部件疲勞斷裂的情況。屏蔽主泵設(shè)有若干個(gè)振動(dòng)測(cè)量裝置，用來連續(xù)監(jiān)測(cè)泵的振動(dòng)。振動(dòng)數(shù)值可被實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程讀取，當(dāng)振動(dòng)超閾值時(shí)提供報(bào)警。2.2 溫度推力軸承的運(yùn)行溫度影響因素有：推力盤和推力瓦之間的干燥摩擦和液態(tài)摩擦產(chǎn)生熱量，電機(jī)工作產(chǎn)生熱量，系統(tǒng)介質(zhì)傳導(dǎo)熱量，屏蔽主泵外置熱交換器帶走熱量。正常工況下，外置熱交換器能夠帶走足夠的熱量，保證推力軸承在合適的溫度下工作。圖 3 損壞的石墨推力瓦當(dāng)推力軸承溫度意外升高，潤(rùn)滑劑的黏度會(huì)降低，液膜支撐力下降；如果溫度升至潤(rùn)滑劑的汽化溫度，將無法形成液膜（汽化溫度與壓力有關(guān)，屏蔽主泵的軸承潤(rùn)滑劑壓力與系統(tǒng)壓

10、力相同）；沒有液膜，摩擦系數(shù)更大，摩擦發(fā)熱更嚴(yán)重，摩擦面溫度急劇上升，然后摩擦磨損更嚴(yán)重，這一惡性循環(huán)將導(dǎo)致推力瓦在很短的時(shí)間內(nèi)破壞，高溫可能造成材料黏結(jié)剝落，熱應(yīng)力沖擊可能造成變形、斷裂等。因此需要注意主泵啟動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)壓力，減少軸承潤(rùn)滑劑汽化的可能性；反之，即需要在主系統(tǒng)壓力降低到一定程度時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)停泵，以免由于壓力降低產(chǎn)生汽化。如圖 3 所示，某核電站相似設(shè)計(jì)的推力軸承的石墨瓦由于熱應(yīng)力沖擊開裂。https:/屏蔽主泵裝有若干臺(tái)冗余的安全相關(guān)溫度探測(cè)器來監(jiān)測(cè)主泵軸承冷卻水出口溫度。這些探測(cè)器輸入信號(hào)可產(chǎn)生停運(yùn)屏蔽主泵的軸承冷卻水出口溫度高信號(hào)，同時(shí)溫度數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程顯示和生成報(bào)警。2.3

11、 水質(zhì)推力軸承的穩(wěn)定運(yùn)行和推力盤/推力瓦的材料表面狀況有關(guān)。液膜的計(jì)算厚度相同情況下，表面粗糙度越大，液膜的實(shí)際有效厚度也就越小。當(dāng)其已經(jīng)超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的水膜計(jì)算厚度，則很可能發(fā)生干燥摩擦，致使推力軸承運(yùn)行條件惡化，甚至使推力瓦損傷。一般來說，在推力瓦的磨損過程中，表面粗糙度總是增大的，推力瓦的表面粗糙度超過安全值時(shí)，就會(huì)發(fā)生破壞。由上文可知，推力瓦的使用壽命不能單純用運(yùn)行時(shí)間來衡量，還應(yīng)該考慮泵的啟停次數(shù)和水質(zhì)對(duì)表面粗糙度的影響。當(dāng)推力瓦的表面粗糙度超過安全值時(shí)，應(yīng)立刻更換瓦塊，這樣才能保證屏蔽主泵的運(yùn)行安全。國(guó)內(nèi)某單位試驗(yàn)臺(tái)架上的屏蔽泵曾因軸承水水質(zhì)較差導(dǎo)致上部和下部徑向軸承石墨瓦均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損，與石墨瓦配合的軸套也出現(xiàn)了不同程度的磨損。3 屏蔽主泵推力軸承的維護(hù)探討4 結(jié)語本文對(duì)核電站屏蔽主泵推力軸承運(yùn)行與維護(hù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和探討，提出的潤(rùn)滑劑取樣和部件維護(hù)策略等建議供該設(shè)備在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行進(jìn)行參考。由于大型屏蔽主泵在核電工業(yè)領(lǐng)域尚屬首次運(yùn)用，沒有長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)，且承擔(dān)了核電站安全功能，無論制造廠給出的運(yùn)行與維護(hù)說明是什么樣的，運(yùn)行電站都必須持審慎的態(tài)度，充分理解和保守決策，并在實(shí)際運(yùn)行和維護(hù)中總結(jié)和分享經(jīng)驗(yàn)。為確保屏蔽主泵推力軸承故障情況下的快速響應(yīng)，也建議核電廠盡早開展推力軸承更換等維修準(zhǔn)備工作，從而減少屏蔽主泵故障對(duì)核電廠造成的經(jīng)濟(jì)性