濕繞組電機主泵故障模式及運行可靠性分析

濕繞組電機主泵故障模式及運行可靠性分析

國核示范電站有限責任公司 王炳舜 田源 李永康

本文基于CAP1400濕繞組電機主泵的結構特點以及國內外火電廠廣泛使用的爐水循環泵的運行故障案例，對CAP1400濕繞組電機主泵故障類型進行了分析。并從設備制造工藝、系統設計、維修方案等方面提出了提高濕繞組主泵運行可靠性的措施。

濕繞組電機主泵；故障；可靠性

1 引言

反應堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）是壓水堆核電機組一回路系統重要的核一級設備，也是核電機組的“心臟”設備。實現主泵等第三代核電核心設備的自主化制造，從整體上提升我國核電裝備制造能力和技術水平，是實現第三代核電自主化和批量化發展的關鍵。目前第三代非能動核電機組主泵有屏蔽主泵和濕繞組電機主泵兩種型式。首臺濕繞組電機泵自20世紀40年投入運行，經過不斷的研究和設計改進，目前世界上已經有不少公司具備設計制造濕繞組電機泵的能力，其中德國的KSB公司（Klein Schanzline& Becker）是最具代表性的廠家之一。由德國KSB公司和上海電氣合資成立的上海電氣凱士比核電泵閥有限公司(以下簡稱:SEC-KSB)承擔CAP1400示范項目濕繞組電機主泵的自主化設計研發任務。

由于主泵是第三代非能動核電機組唯一的核1級泵，對核電廠而言，其作用非常重要。而其工作條件又非常苛刻，因此濕繞組主泵的運行可靠性對電廠核安全以及安全穩定運行有著非常重要的意義。本文基于CAP1400濕繞組電機主泵的結構特點以及國內外火電廠廣泛使用的爐水循環泵的故障案例，對CAP1400濕繞組電機主泵故障類型進行分析，并對提高其運行可靠性提出優化措施。

2 濕繞組主泵結構特點

CAP1400堆型采用的是SECKSB研發的RUV870-650型泵組。這是一款全密封、無軸封、結構緊湊的立式高慣量混流泵。CAP1400機組由兩個環路構成，每個環路上設置有2臺主泵，泵殼的吸入管嘴直接焊接在蒸汽發生器底部下封頭上，泵體布置在上，電機在下，泵體和電機作為一個整體倒掛在蒸汽發生器底部。這種布置，可與蒸汽發生器共用一套支撐系統，同時省去了自蒸汽發生器到泵的過渡段，減小了環路壓降。濕繞組電機主泵各零部件結構如圖1所示。

圖1 濕繞組主泵零部件結構圖

濕繞組電機主泵與傳統的軸封式主泵、屏蔽電機主泵相比具有以下結構特點：

（1）濕繞組電機主泵泵殼、電機殼采用整體鍛造而成，可以避免焊接及在役檢查。整體鍛件結構均勻，無缺陷風險，加工時間進度可控；

（2）濕繞組電機主泵壓力邊界零部件（除泵殼、主螺栓和主螺母外）由馬氏體不銹鋼制成，與奧氏體不銹鋼相比在韌性、可延展性等方面具有明顯優勢；

（3）泵的葉輪和電機轉子作為一個整體，置于相互連通的密封壓力腔體內，泵與電機結合成一個整體，電機在下泵在上，避免在電機內部聚集氣體，減小氣體對繞組和水潤滑軸承的危害；

（4）泵和電機之間采用無軸封結構。淘汰了軸封結構，也就避免了由于軸封失效所引發的一回路破口事故；

圖2 濕繞組電機泵故障類型概率圖

（5）泵體和電機雖被分割成兩個腔室，但兩個腔室中間沒有密封裝置，是等壓的。泵體內的一回路高溫冷卻劑（284.3℃）與電機腔室的高壓冷卻水（65℃以下）在正常運行工況下只有熱量的傳遞，沒有物質的交換；

（6）電機運行時，電機推力盤上的輔助葉輪產生內循環動力，使電機腔室內高壓冷卻水通過外置熱交換器進行熱交換，保證電機冷卻水保持在65℃以下，當電機停運后，通過外置熱交換器的結構布置使高壓冷卻水發生自然循環，繼續同外置熱交換器二次側發生熱交換，從而保證電機腔室的持續冷卻；

（7）濕繞組主泵轉子由三個徑向軸承和一個雙向推力軸承支撐，軸承均為水潤滑軸承并由電機內部冷卻回路進行潤滑及冷卻。所有大質量部件（電機轉子、飛輪）兩端均由兩個徑向軸承支撐，從而保證良好的轉子動力學性能和較低的振動值；

（8）濕繞組電機主泵飛輪是一個不銹鋼整體式鍛造圓柱體，內嵌 2 圈共計48根高密度的鎢鋼棒，以提高飛輪的整體質量。飛輪通過端面赫氏齒與泵軸和電機軸進行連接。因此可以避免飛輪因開中心孔而使強度下降，避免因為鍵傳遞扭矩所產生的應力集中；

（9）主泵熱屏組件由泵側熱屏套和電機側熱屏板組成。通過泵側熱屏套獨特的結構設計，將一回路高溫介質引入飛輪腔室，將飛輪腔室的介質溫度維持在220 ℃左右，從而減小了飛輪在介質中的高速旋轉所產生的摩擦損耗；

（10）定子繞組采用特制的輻照交聯聚乙烯（絕緣等級為Y級，耐熱溫度90℃）絕緣保護包殼進行封裝。繞組包殼采用多層設計，內層為LXPE絕緣包殼層，外層為PA保護包殼層，外層包殼材料充分考慮了在運行溫度、壓力條件下的耐壓、耐高溫、耐沖涮、耐化學腐蝕等性能。

3 濕繞組主泵運行故障及分析

濕繞組電機主泵被應用于壓水堆核電主泵尚屬首次，并無實際運行先例。而與之結構相似的爐水循環泵則被廣泛應用于30～120萬千瓦大型火力發電機組鍋爐中，具有非常豐富的運行故障案例。國內某電機檢修公司在維修了300多臺爐水循環泵后，通過統計分析得出濕繞組電機泵的故障發生概率[1]如下圖2所示。由圖2統計數據顯示，濕繞組電機泵發生電機絕緣故障的概率為65%，導軸承故障為46%，推力軸承故障為32%，轉子故障為8%，電機內流道堵塞故障為4%，安裝操作不當所造成的故障為4%，斷面密封泄漏故障為3%，電纜貫穿件密封泄漏故障為2%，葉輪和導葉故障為2%。其中電氣故障是所有故障現象的主要表現形態，造成電機絕緣故障的的因素統計如下圖3所示，其中端部繞組擊穿發生概率為48%，槽內繞組擊穿發生概率為21%，接頭密封失效發生概率為15%，導電頭密封失效發生概率為7%，機械原因造成繞組損傷發生概率為4%，繞組高溫水燙傷發生概率為3%，電纜破損發生概率為2%。

從以上統計數據可以看出，與濕繞組電機主泵結構類似的爐水循環泵的故障大體可分為電氣故障和機械故障兩大類。而其中電機絕緣故障和推力軸承故障是影響爐水循環泵安全穩定運行的主要的故障形式。由于濕繞組電機主泵和爐水循環泵設備結構極為相似，工作原理相同，因此，筆者認為，其運行薄弱環節和故障模式具有極大的參考意義和價值。以下就對CAP1400濕繞組電機主泵故障模式進行分析。

3.1 電氣故障

電氣故障是所有故障現象的主要形態，結合電氣故障的現象和主要產生原因統計分析如表1所示。

3.2 機械故障

圖3 濕繞組電機泵電氣故障類型發生概率圖

（1）推力軸承故障

與其他類型主泵不同，濕繞組電機主泵采用水潤滑推力軸承，水作為其潤滑介質，其粘度僅為常規油潤滑介質的1/20～1/40，在相同載荷和結構參數條件下，其承載水膜厚度僅為油膜厚度的1/3～1/5，這就要求濕繞組電機主泵推力軸承本身必須具備更高的承載能力和耐磨損性能。除此之外，還有一些原因會導致其非正常損壞，主要包括：①高壓冷卻水水質差，電機腔內有金屬顆粒或雜質破壞了水膜的完整性，從而引起軸承磨損；②電機內循環水不暢，缺水運行等。

表1 濕繞組電機電氣故障現象及原因

（2）導軸承故障

濕繞組電機主泵導軸承為水潤滑軸承，軸承襯套為高硬度鉻鋼合金，軸承套材料為碳纖維增強碳，不使用有機和塑料鑲嵌處理，具有良好的強度和耐高溫性能。但長時間運行會發生轉子部件質量缺失，或異物雜質附著在轉子表面造成轉子動平衡不良，從而引起主泵振動增加，將會加劇對導軸承的磨損甚至損壞，嚴重時可能發生電機定轉子掃膛問題。另外，軸承潤滑冷卻水的質量也將直接影響到導軸承的可靠運行，如果軸承潤滑冷卻水中含有硬質顆粒雜質，一旦進入軸承潤滑表面將破壞軸承潤滑水膜，劃傷軸承表面從而損壞軸承。因此，在主泵正常運行時必須加強對高壓冷卻水質、溫度，以及轉子振動等參數的監測。

（3）轉子故障

濕繞組主泵轉子采用分段結構設計，通過Hitrh齒進行連接，要實現同整體式轉子同樣的剛度，必須在主泵裝配過程中嚴格按照Hirth齒聯軸器緊固超級螺栓力矩要求對Hirth齒聯軸器進行緊固，防止轉子剛度下降。另外，由于電機腔室高壓冷卻水溫度大約為45℃，飛輪腔室介質溫度為240℃左右，電機側Hirth齒連接環不但要傳遞轉子扭矩，還因為有溫度梯度而存在熱應力，長期運行將會產生熱裂紋。因此，在濕繞組電機主泵預防性檢修過程中，必須將電機側Hitrh齒連接環部件作為無損檢測的重要內容，防止熱裂紋不斷擴大造成轉子強度下降。

（4）端面密封滲漏

濕繞組主泵主法蘭采用兩道金屬石墨纏繞墊進行密封，其他端面靜密封以及電氣貫穿件均采用兩道三元乙丙橡膠“O”型圈進行密封。如果端面密封緊固失效，或者密封件長期使用發生老化及壓縮塑性變形，都會導致端面密封失效而泄漏。由于主泵電機腔室也與一回路相通，電機腔室作為一回路壓力邊界的一部分，如果發生端面密封泄漏，不但會發生一回路破口事故，還會由于泄漏而失壓，一回路高溫介質將會進入電機腔室，進一步造成電機繞組高溫燙傷而損壞電機。

因此，在進行預防性檢修時，必須加強對電機密封端面的檢查。根據經驗，端面上有月牙形水銹斑痕，應可判定為有微滲漏現象發生。一旦打開端面密封，必須更換端面密封件，避免重復使用。

（5）葉輪及擴散器故障

表2 濕繞組電機冷卻水水質要求標準

由于CAP1400主泵葉輪和吸入適配器（葉輪入口口環）之間的間隙只能通過控制泵殼與主泵可拆卸部件之間的相對位置進行調整。因此在主泵安裝過程中，必須按照相關尺寸要求嚴格控制主泵可拆卸部件安裝到泵殼上的相對位置，防止發生葉輪與口環發生偏磨，甚至是卡澀故障。

4 提高濕繞組主泵可靠性的措施

綜合以上對CAP1400濕繞組電機主泵故障模式的分析，結合國內外火電廠廣泛采用的提高爐水循環泵可靠性的措施、CAP1400堆型的特殊要求以及設備供應商設計、制造工藝水平，特從以下幾方面提出提高濕繞組主泵運行可靠性的措施。

4.1 優化繞組絕緣工藝，提高繞組絕緣可靠性和使用壽命析

從濕繞組電機定子繞組絕緣結構設計可見，定子繞組的匝間絕緣、相間絕緣和對地絕緣均由濕繞組線本身的絕緣層承擔。電機的可靠性和使用壽命主要取決于絕緣技術。濕繞組電機絕緣技術的關鍵是：濕繞組線的選擇和性能、電氣貫穿件的密封絕緣結構、中性點接頭密封絕緣結構、繞組端部固定方式以及絕緣層制造工藝。從圖2分析可以發現，造成濕繞組電機電氣絕緣故障的主要因素可以分為內因和外因兩方面。

內因主要是指繞組本身的絕緣性能。可以通過優化繞組加工工藝來提高繞組絕緣材料本身的質量。由于濕繞組電機繞組采用輻照交聯聚乙烯絕緣層+尼龍護套組成。聚乙烯經輻照后其分子結構從直線鏈狀變成三維網狀結構，從而大大提高了聚乙烯的耐熱性和機械性能，具有良好的耐磨性和耐環境應力開裂性。交聯聚乙烯材料的可靠性和使用壽命主要取決于原材料、交聯度、交聯均勻性及擠塑工藝，因此，在絕緣材料的加工制造過程中，需嚴格控制加工工藝，提高交聯聚乙烯材料的偏心度、純凈度及絕緣層內的微小雜質和微氣孔等缺陷率。

從外因上看，由于電機繞組的制造安裝工序絕大部分都需要手工操作，因此人員操作工藝水平和質量控制手段將與繞組整體絕緣性能的可靠性和耐久性產生直接的影響。因此，提高繞組絕緣可靠性和使用壽命，需要從以下幾個方面入手：

（1）由于繞組為非整體結構件，其中中性點接頭、Y并接頭絕緣主要依靠工人手工焊接和絕緣綁扎，因此，必須規范定子繞組接頭的絕緣纏繞工藝，加強繞組接頭的絕緣纏繞質量控制，適當增加絕緣材料的纏繞層數和絕緣介質的厚度。提高接頭的密封性能，保證在介質高壓沖刷下絕緣電阻不下降；

（2）改進線圈的固定綁扎方式，提高繞組端部的結構強度，防止在正常運行時由于電動力和水流沖擊的作用引起繞組振動磨損，從而影響電機絕緣壽命；

（3）改進電機穿線方法，避免繞組線在穿制的過程中受損；

（4）控制安裝、檢修質量，規范運行程序，防止一回路高溫介質進入電機腔室而造成繞組絕緣層燙傷。

4.2 優化設計軸承冷卻水凈化系統

CAP1400主泵高壓冷卻回路是一個獨立的閉式循環系統，設備長期運行過程中不可避免會產生結構件沖刷腐蝕以及零部件的磨損。又因為電機定子鐵芯長期浸泡在高壓冷卻水介質中，不可避免會產生銹蝕。另外，從一回路設備設置來看，主泵倒掛在蒸汽發生器的底部，主泵電機腔室標高較一回路管路要低，且電機腔室介質并不參與一回路介質循環，在系統停運情況下，存在一回路冷卻劑雜質的“沉積效應”。一回路中的雜質將會通過蒸汽發生器底部、主泵入口，順著飛輪與熱屏套之間的間隙不斷匯集到電機腔室底部。而電機高壓冷卻回路本身沒有過濾裝置，長此以往，高壓冷卻回路中的雜質將會加劇軸承的磨損，堵塞高壓冷卻水流道，造成流阻增大，從而影響電機和軸承的冷卻效果。因此，電機高壓冷卻水水質是影響濕繞組電機主泵安全穩定運行的重要影響因素，因此有必要采取以下措施：

在高壓冷卻回路上設計并安裝過濾裝置，同時合理設計過濾器過流面積和過濾精度，確保不會出現因過濾器過流面積過小或過濾精度太高而引起的循環水路的堵塞或系統阻力增加。

為防止雜質在電機腔室的長期聚集，導致電機冷卻水水質持續惡化，有必要定期對主泵電機腔室進行沖洗凈化，通過主泵底部的充水管線和電機頂部的疏水排氣管線建立電機腔室循環沖洗回路對電機腔室進行反復沖洗，同時制定電機冷卻水水質標準，并將水質化驗是否合格作為能否啟泵的前提條件，只有確認其水質達到標準要求，才能啟動主泵。

由于濕繞組主泵電機鐵芯是由硅鋼片疊裝而成，硅鋼片中Fe含量高。由于濕繞組電機鐵芯長期浸泡在水中，生銹是不可避免的。為防止電機鐵芯生銹，在機組停運期間需向電機冷卻水中添加LiOH（pH=9.5～10.5）作為腐蝕抑制劑對濕繞組電機進行濕保養，防止Fe析氫腐蝕的發生。在機組運行期間，通過控制電機冷卻水中氧含量的濃度（〈100ppb），盡可能低的減少Fe吸氧腐蝕的發生。表2為濕繞組電機冷卻水水質要求標準。

4.3 通過設備運行監測開展預測性維修

KSB公司曾對1000多臺爐水泵實際運行情況進行追蹤調查，調查結果表明：如運行上無誤操作，則10年后電機繞組完好率達96%，20年后仍有76%的完好率[5]。由于CAP1400濕繞組電機主泵無論是電機功率，還是設備整體尺寸都屬世界首例，沒有任何運行業績可供參考，為保證運行可靠性，根據目前國際、國內濕繞組電機泵電機繞組的使用壽命大概為7～10年[2]。從保守決策的角度出發，需在生產準備階段開展CAP1400濕繞組主泵的維修準備工作，從維修工作的可實施性、維修技能的培訓、維修場地的規劃設計、維修備品備件和專用工器具的梳理等方面，針對設備在正常運行期間可能出現的故障模式，準備相應的檢修方案。同時，在設備運行期間，開展以設備可靠性為中心的設備健康管理，通過監測設備運行參數建立設備運行檔案，并定期開展設備健康評估和趨勢分析，根據分析結果制定維修方案，從而提高濕繞組電機主泵運行可靠性，并減低維修成本。

4.4 其他措施

每次主泵停運再啟動前必須測量濕繞組電機定子繞組絕緣參數，當發現電機定子繞組絕緣〈200MΩ時，應采取有效措施進行處理，防止電機啟動時損壞繞組。在向電機腔室充水時，必須由電機下部向電機腔室緩慢充水，充水流量控制在1.607～1.118 m3/h，防止充水速率過快，導致腔室排氣不暢。

5 結語

CAP1400濕繞組電機主泵無論是電機功率，還是設備整體尺寸都屬世界首例，沒有任何運行業績可供參考。通過對CAP1400濕繞組電機主泵的結構特點的闡述，以及國內外火電廠廣泛使用的爐水循環泵故障模式的類比，對CAP1400濕繞組電機主泵故障進行分析。分析認為：CAP1400濕繞組電機主泵的故障模式大體可分為電氣故障和機械故障兩大類，而其中電機絕緣故障和推力軸承故障是影響濕繞組泵安全穩定運行的主要因素?；诖耍瑥脑O備制造工藝、系統設計、設備運行狀態監測和維修等方面提出了提高CAP1400濕繞組主泵運行可靠性的措施。以期在CAP1400濕繞組電機主泵在設計研發、調試試驗、生產運行過程中采取有效措施，保證設備投運以后的安全穩定運行。

[1] 張嘉,鄧玉榮.爐水泵的故障分析及日常運行維護[J].能源與節能,2011,71（8）

[2] 劉洋等.提高爐水循環泵濕繞組電動機的絕緣可靠性[J].上海大中型電機,2007,No.2

[3] 李天斌等.三代核電CAP1400/AP1000濕繞組型反應堆冷卻劑泵的技術特點[J].GM電力通用機械,2014,No.4（72）

[4] 鄭毅，周佺. 電廠爐水泵電機的維護[J].科技與向導,2012,No.29（367）

[5] 張東林等. 爐水循環泵電動機絕緣[C].第九屆全國絕緣材料與絕緣技術學術交流會論文集,2015.11