方家山核電站凝結水泵電機軸承溫度過高的原因分析

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(中核核電運行管理有限公司，浙江　海鹽　314300)

凝結水泵電機(以下簡稱凝泵電機)為1800kW、6kV中壓供電的大型電機，是核電站二回路系統中的重要設備，它的運行可靠性直接關系到機組的安全穩定運行，電機軸承是電機唯一的動、靜鏈接部件，該軸承是一個對材質、加工工藝和加工精度都要求非常高的精密機械部件。電動機在運行過程中軸承將承載電機額定輸出轉矩(軸向和徑向載荷)所帶來的沖擊，電動機在啟動和負載變化過程中還會承受一定量的過載力矩和沖擊力矩。統計資料顯示電動機的故障中軸承的故障就占了其總量的50%以上，因此軸承的可靠性直接影響著電機的運行安全。在方家山核電機組實際運行中，時有發生軸承未達到其使用壽命就發生溫度過高、振動過大從而導致停機的現象。

本文通過具體的案例分析及綜合對比，找出了導致電機軸承溫度過高的主要原因，通過升級潤滑脂來有效的改善軸承的潤滑狀態，延長軸承的使用壽命確保設備的安全可靠的運行。

1　案例分析

方家山核電站1號機組凝結水泵(B)電機故障處理如下所述。

1.1　凝泵電機的主要參數

1)型號：YLKS560-4功率: 1800kW電壓：6600V轉速：1490r/min；

2)安裝形式：V1(立式);

3)非負荷側軸承：7330BCBM(單列角接觸軸承)潤滑脂：3號鋰基脂；

4)潤滑脂更換周期：4000h加潤滑脂期限：1000h加脂量：300g；

5)負荷側軸承：6232M/C3潤滑脂：3號鋰基脂；

6)潤滑脂更換周期：4000h加潤滑脂期限：1000h加脂量：120g；

7)制造廠：上海電氣集團上海電機有限公司。

1.2　設備運行背景

方家山核電站1號機組共有3臺凝結水泵電機(兩用一備)，設備負載正常，周圍無高溫熱源，環境溫度為正常室溫，濕度為正常的大氣濕度，無有害氣體，無粉塵及其他有害化學介質。

1.3　事件經過

2015年5月13日17:37分，B泵電機非負荷側軸承溫度過高(超過95℃)導致B泵電機跳閘停機，備用A泵投入運行。這樣就導致1號機組凝泵無熱備用設備，給機組的安全運行增加了風險。B電機從啟機運行到故障跳機累計運行時間為；3262h，此時其他兩臺電機此時的運行時間分別為；A泵電機2577h，C泵電機2327h(運行記錄)。 圖1為B泵電機跳機時及A泵電機啟動時軸承和繞組的溫度狀態。

圖1　B電機故障停機及A電機啟動時軸承和繞組的溫度變化趨勢Fig.1　The temperature of the bearing and winding change trend

就這3臺電機就運行時間而言，B電機運行時間相對較長(相對A和C電機)。

現場對B泵電機非負荷側軸承進行解體檢查：

1)軸承潤滑脂已經發黑結塊，潤滑脂失效(見圖2)；2)軸承滾珠和滾道表面已經出現過熱發藍現象并伴有連續性擦傷和擠壓痕(見圖3)；3)保持架完好但已有磨損痕跡(見圖4)。

在電子顯微鏡下B電機軸承狀態：1)電機非負荷側軸承滾子表面;有犁溝(見圖5)、擠壓(見圖6)、擦傷(見圖7)等痕跡；

2)電機非負荷側軸承滾道表面：有高溫蝕點(見圖8)、表面疲勞脫落(見圖9)、犁溝磨損(見圖10)現象。

從以上軸承的磨損情況看，軸承已經基本處在潤滑失效狀態下運行，摩擦表面磨損嚴重從而導致軸承溫度快速升高。這種情況已經十分危險，如果再繼續發展下去很快就會使軸承失效，導致電機燒毀的嚴重的后果。

圖2　B電機非負荷側軸承Fig.2　Non-driven-end bearing(B)

圖3　B電機非負荷側軸承滾珠Fig.3　Non-driven-end bearing bal(B)l

圖4　B電機上軸承保持架Fig.4　Non-driven-end bearing retainer(B)

圖5　B電機非負荷軸承滾子表面梨溝痕Fig.5　Ball bearing surface traces(B)

圖6　B電機軸承滾子表面擠壓痕跡Fig.6　Ball bearing surface traces(B)

圖7　B電機非負荷側軸承滾子表面擦傷Fig.7　Ball bearing surface scratching(B)

圖8　B電機軸承滾道表面高溫蝕點Fig.8　Bearing race way corrosion point(B)

圖9　B電機軸承滾道表面脫落 Fig.9　Bearing raceway fall off(B)

圖10　B電機軸承滾道表面梨溝Fig.10　Bearing raceway of traces(B)

通過對B電機的搶修，對上軸承和潤滑脂(3號鋰基脂)進行了更換并重新投入運行。5個月后(11月份)對該電機再次進行解體檢查，發現上軸承潤滑脂劣化問題再次出現(見圖11)。下軸承潤滑脂劣化也十分嚴重(見圖12)。此時B電機上軸承僅運行了2100h，下軸承也只運行了5361h。

圖11　B電機非負荷側軸承(2100h)Fig.11　Non-driven-end bearing(B)

圖12　B電機負荷側軸承(5361h)Fig.12　Driven-end bearing(B)

2　原因分析

2.1　引起軸承溫度高可能的因素

(1)軸承的DN值：223500<350000，軸承適合油脂潤滑形式。

(2)軸承缺陷

電機在其出廠試驗和現場調試試驗時運行都很正常，在之前運行的5個月里，非負荷側軸承的運行溫升18℃，實際溫度均未超過57℃。其振動、噪聲都在合格范圍內，基本可以排除軸承本身存在的缺陷。

(3)潤滑脂使用不當或添加過量

制造廠名牌上標注的是：3號鋰基脂，未曾更換。

潤滑脂的添加嚴格按照檢修規程進行添加，前期軸承運行溫度正常，說明潤滑脂添加量是適當的。

(4)軸承配合公差尺寸

符合國家滾動軸承配合標準(GB/T 275—2015)

(5)潤滑脂選用

經過排查和現場的實際情況分析，以上4點基本可以排除。從現場對電機的解體情況看軸承的潤滑脂已經失效，從軸承的滾珠、保持架、內、外滾到的表面損傷情況看是屬于潤滑不良造成的損傷(有擠壓、擦傷和犁溝等嚴重磨損跡象)，有可能是現有的這款潤滑脂不適合這臺電機的運行工況，使的潤滑脂過早的失效。

2.2　軸承的結構及潤滑機理

軸承是由內滾道、外滾道、滾動體、保持架所組成，軸承在正常工作時，軸承的各個部件都處在相對運動狀態，兩個相對運動的表面就構成了一對摩擦副。有運動就有摩擦，有摩擦就有磨損。磨損就會造成部件的尺寸超標，從而導致部件的功能喪失。為了減少摩擦、磨損就要求對各相對運動部件的接觸面進行有效的潤滑，潤滑是降低摩擦減少磨損最有效的手段。潤滑就是利用潤滑劑的流動性進入摩擦表面之間，當兩個金屬面相互作用時，在壓力和速度的作用下潤滑脂中的基礎油被從潤滑脂中析出，析出的基礎油就在摩擦副表面形成一個微米級的吸附潤滑油膜，這個油膜具有很強的法向承載力(可達GPa量級),同時這個油膜有很低的抗剪能力，從而起到了隔離摩擦表面即潤滑作用，潤滑不僅可以減少了摩擦阻力、降低材料的消耗和磨損，同時降低了摩擦副表面的溫度，延長了潤滑脂的壽命，確保零部件的可靠性。

2.3　滾動軸承的故障壽命全過程

滾動軸承故障壽命全過程(見圖13)，這個過程可分為如下幾個階段；磨合階段(Ⅰ),穩定磨損階段(Ⅱ1+Ⅱ2)、故障初始階段(Ⅲ)、輕微故障階段(Ⅳ)、宏觀故障階段(Ⅴ)、故障最后階段(Ⅵ)、設備損壞點。

圖13　滾動軸承故障發展示意圖Fig.13　Rolling bearing fault development

1)軸承的磨合階段(Ⅰ)：由于摩擦副表面在加工時有一定的微觀毛刺和缺陷，在這個階段微觀凸峰相互碰撞、擠壓而產生較大的摩擦和磨損量，隨著微凸峰的磨損和塑性變形，使得摩擦副表面的形態逐漸改善，表面壓力趨于穩定、摩擦系數和磨損量Q也逐漸下降，從而進入穩定磨損階段(Ⅱ1+Ⅱ2)：摩擦表面經過磨合后達到穩定狀態，磨損率保持基本不變，這是滾動軸承的正常工作階段，也是滾動軸承的工作壽命時間；

2)故障初始階段(Ⅲ)：在交變應力作用下當表面損傷累積到一定程度就導致材料結構和性能的改變，而形成摩擦副表面形成微觀的金屬疲勞、裂紋、磨損，這個階段磨損量會有所增加，這是一種微觀現象；

3)輕微故障階段(Ⅳ)：當摩擦副表面微觀缺陷發展到一定程度時，摩擦副表面會有一些宏觀痕跡，并伴有微量的磨粒的產生，表現出軸承運行時噪聲增大，但是振動和溫度變化不大；

4)宏觀故障階段(Ⅴ)：摩擦表面宏觀缺陷明顯增加并有擴大的趨勢，軸承的運行噪聲增大，振動和溫度均有明顯增大的趨勢，磨損量迅速增大；

5)故障最后階段(Ⅵ)：軸承的運行噪聲、振動、溫度都迅速增高接近或超過警戒閾值；

6)設備損壞點；軸承卡死、散架、失效，給設備造成災難性破壞。

軸承的正常壽命曲線是；O～a,當軸承進入輕微故障階段(Ⅳ)和宏觀故障階段(Ⅴ)時，需要更換軸承和潤滑脂。在這O～a個過程中潤滑脂始終處于正常工作狀態。如果軸承在進入穩定磨損階段(Ⅱ1)軸承潤滑就失效，其軸承壽命曲線就變成O～a1，這樣軸承使用壽命大為減少，影響到設備的使用安全。

2.4　3號鋰基脂潤滑脂失效過程及高溫分析

電機出廠時軸承添加的是3號鋰基潤滑脂，這種潤滑脂是單皂基潤滑脂；是由12-羥基硬脂酸、硬脂酸、氫化蓖麻油鋰皂稠化礦物油構成，稠度為3，這是一款軸承通用潤滑脂，工作溫度在120℃以下。

凝泵電機的上軸承的主要載荷是由：電機的軸向負載(轉子重力載荷+電機的軸向磁拉力+水泵的部分軸向載荷)和電機的經向負載載荷組成。因此上軸承在運轉時，由于負載和轉速的作用在軸承滾子與滾道之間的載荷區中會產生很高的壓強，當潤滑脂進入載荷區域時在速度和壓力的作用下將基礎油從潤滑脂中析出，基礎油中的極性分子與金屬基體表面的電子發生交換而產生化學結合力，使得極性分子定向地排列在固體表面上形成吸附現象，從而形成一層化學吸附膜，這個化學吸附膜具有較高的吸附熱(物理吸附熱為4.2～42kJ/mol,化學吸附熱為42～420kJ/mol，其熔點為120℃(也是潤滑脂工作的承載溫度)。這個保護膜具有很高的法向承載力及很低的抗剪能力。它的承載溫度是120℃以下。軸承滾子在滾道上的承載區域理論上是點接觸，由于電機的負載作用，使得滾子和滾道在承載區域內發生動態彈性變形，承載區的接觸面由點接觸轉化成面接觸。在承載區域的接觸面上潤滑脂將受到很高的法向壓力和切向剪應力。

滾子在滾道上高速運動時，將會存在兩種運動模式：滾子的自旋運動和滾子與滾道之間的相對滑動運動，在軸承正常潤滑狀態下滾子在滾道上以自旋滾動為主，滑動分量很小。由于滾子的曲率﹥滾道的曲率，滾子在滾道上高速運動時析出的基礎油就會在它們之間產生收斂型油楔，從而形成有足夠壓力的流體膜，這個流體膜將兩個金屬表面分隔開來，形成流體動壓潤滑。由于負載的作用使得滾子與滾道之間的潤滑處于流體動壓潤滑和邊界潤滑狀態。又由于基礎油(礦物油)是從石油中提取的，它含有一定的雜質且其分子鏈長短不一，它的化學穩定性相對較差，因此它的粘溫指數和耐熱能力相對較差。隨著運行時間的延長，基礎油的長鏈分子相互纏繞和斷裂，分子鏈極性將逐漸減弱也會使潤滑油膜變薄，當基礎油的油膜厚度下降到一定程度時，兩摩擦副表面上的微凸峰就會相互擠壓、碰撞。這種現象導致摩擦副表面溫度升高。溫度的升高促使基礎油氧化→稠化劑長鏈分子斷裂→稠化能力下降→潤滑脂氧化速度加快→潤滑脂酸度升高→基礎油與稠化劑的親和力下降→潤滑脂稠度進一步下降→導致基礎油析出后很難回復→基礎油的流失使潤滑能力下降→摩擦系數增加→導致摩擦副溫度上升→潤滑脂的潤滑性能進一步下降→潤滑失效，這一過程是一個惡性循環過程。這也就表現出軸承在剛開始幾個月軸承溫度是正常(潤滑正常)，到后期軸承溫度迅速升高(潤滑失效)的主要原因。由于潤滑脂劣化嚴重新添加的潤滑脂也很快被污染、劣化。當出現潤滑脂嚴重劣化這種情況時新添加的潤滑脂已經沒有太大的意義，由于潤滑脂的失效導致軸承的溫度迅速升高，從圖3可知滾珠已經因高溫發藍，高碳鉻軸承鋼發藍的溫度在145℃以上，這個溫度足以使潤滑脂的化學吸附膜喪失其功能。在這個溫度下即使新添加的潤滑脂也會在短時間喪失潤滑功能。在無潤滑狀態下軸承受到了嚴重磨損(圖5～ 圖10)。

用來監測軸承的溫度探頭是設置在軸承套外圓的位置上，不能反映軸承內部的實際溫度，其外部與內部間的溫度按經驗折算相差25℃左右，而摩擦副表面的溫度則會更高些。初步認為導致軸承溫度過高的主要原因；是3號鋰基脂的理化性能相對較低所造成的，在2015年11月，對A、C電機也進行了解體檢查時，發現潤滑脂已經接近失效。而5月份對B泵電機搶修時，更換新的軸承和潤滑脂(依然添的加3號鋰基脂)，在經歷4個月運行后(11月份)，再次對B電機再次進行解體檢查，依然出現了潤滑脂劣化問題。對A、C電機也進行了解體檢查時發現潤滑脂也已經接近失效狀態。

2015年11月，對3臺凝泵電機進行解體檢修：

(1)A電機累計運行時間為5349h。

1)電機非負荷側軸承潤滑脂已經發黑硬化(見圖14、圖15)。2)負荷側軸承潤滑脂發黑變硬(見圖16)。

(2)C電機共累計運行時間為5099h，發現其潤滑脂劣化程度和A電機基本相同(見圖17、圖18)。兩臺電機非負荷側軸承的滾子同樣都受到嚴重的磨損(見圖19)。

圖14　A電機非負荷側軸承Fig.14　Non-driven-end bearing(A)

圖15　A電機非負荷側軸承油蓋Fig.15　Non-driven-end bearing end cover(A)

圖16　A電機負荷側軸承Fig.16　Driven-end bearing(A)

圖17　C電機非負荷側軸承Fig.17　Non-driven-end bearing(C)

圖18　C電機負荷側軸承Fig.18　Driven-end bearing(C)

圖19　非負荷側軸承滾珠Fig.19　Non-driven-end bearing ball(A/C)

由此看來，這3臺電機所表現出的現象是一個共性的問題，可以初步判斷3號鋰基脂不適用于這3臺電機的運行工況。

根據這3臺電機的結構和運行工況，通過分析和篩選。重新選擇了一款復合極壓鋰基脂。

3　極壓復合鋰基脂的結構、功能和作用

通過分析對比我們選用含有極壓劑的復合鋰基脂，復合鋰基脂；是由復合鋰皂基稠化合成基礎油，并含有抗氧化劑和極壓添加劑所構成的潤滑脂，潤滑脂的工作溫度可達150℃以上。

極壓復合鋰基脂組分特征如下：

(1)合成基礎油

1)合成油：是一款人工合成的基礎油，基礎油里基本不含雜質，其分子鏈短而且整齊不易纏繞，并具有較強的極性。因此其理化穩定性好，具有較好的耐高溫性能；合成油熱安定性好，熱分解溫度高，閃點及自燃點高，具有有較高的使用溫度，工作溫度可在150℃以上；

2)具有良好的黏溫性能：黏溫指數高；

3)具有較低的揮發性：合成油是一種純化合物，沸點范圍較窄。

(2)稠化劑(復合鋰皂基)：由 12-羥基硬脂酸鋰與復合劑中低分子有機酸鹽在一定的條件下共結晶而成，其特點：

1)滴點明顯高于鋰基脂，一般大于260℃，比鋰基潤滑脂的滴點高出100℃左右，高溫下依然具有一定的稠度，普通鋰基脂在204℃下稠化劑就失去稠化作用，基礎油析出后就流失掉了，而復合鋰基脂在這個溫度依然相當稠，實驗資料顯示當溫度達到315℃時，表面稠度還大于1Pa·S其稠化性能遠高于單皂基；

2)具有良好的抗氧化性；復合鋰基脂在190℃條件下烘烤200h基本不發生氧化反應，而鋰基脂在這個溫度下卻發生嚴重的氧化反應，這說明復合鋰基脂具有很強的抗氧化性能。理化特性比較穩定，這樣的潤滑脂它的粘溫指數會更高，耐熱性和抗氧化性更好，其綜合化學性能更穩定；

3)具有良好的機械安定性及抗剪切能力；由于采用的基礎油是合成油，其分子鏈較短且整齊，極性較好，由于采用的是合成工藝技術所以基礎油里基本不含雜質，因此它的機械安定性和抗剪能力較強；

4)具有較長的軸承運轉壽命；在相同的試驗室條件下(轉速10000r/min,軸承溫度120℃)，復合鋰基潤滑脂的壽命是大于1000h,而普通鋰基脂的壽命只有450h左右，兩者相差一倍多。

(3)添加劑

為了增加潤滑脂的邊界潤滑能力，以降低摩擦，防止膠合和犁溝磨損，通常在潤滑劑中添加極壓劑(extreme pressure and antiwear)，它含有S、P、CL化合物制成，它們與摩擦副金屬表面在一定的溫度和壓力下起化學反應，在摩擦副表面形成一層光滑的化學反應保護膜，這層膜將兩金屬表面隔開，這層保護膜抗壓能力極強，抗剪強度比基礎金屬要低，當壓強達到一定極限時油膜破裂，防止金屬表面燒結，保護了金屬表面。這樣就有效地控制了摩擦副表面溫度，為新的油膜建立創造了條件，因此它能起到更有效的潤滑效果。

3.1　溫度對潤滑脂失效的影響

在軸承運行的過程中，溫度對軸承潤滑失效起著十分重要的作用。在軸承潤滑失效之前和失效過程中，溫升總是顯著增加，溫度是潤滑失效的關鍵因素。由于3號鋰基潤滑脂的性能指標相對較低，隨著運行時間的增加由于基礎油內部分子的相互作用和外部摩擦，使得溫度逐漸上升，當溫度超過50℃以上時，基礎油的氧化速度開始加快，由于潤滑脂氧化使得潤滑脂的酸度增加，這樣潤滑油膜的厚度便會逐漸下降。油膜變薄會增大潤滑油膜內部的剪應變率和金屬表面的摩擦接觸，這樣就導致溫度進一步的升高。溫度上升會顯著降低基礎油的粘度，由于壓力和黏度成正比，黏度的下降會導致潤滑油膜承載力的降低，當摩擦表面的溫度上升到120℃以上時，摩擦副表面的化學吸附膜將會失去作用，而后續的油膜又難以形成，失去潤滑的軸承部件其運動表面摩擦系數顯著增大，摩擦阻力也顯著增大，這樣導致軸承的滑動摩擦分量大幅上升，當兩個表面在一起作相對滑動運動時，大多數參與摩擦相關的做功都轉換成熱能，導致溫度迅速升高，過高的溫度改變了滑動金屬表面的物理、化學和力學等性能，由于摩擦表面失去了油膜的保護繼而發生高溫磨損，高溫磨損主要分為；黏著磨損、氧化磨損和磨粒磨損三種，這三種磨損的磨損量很大，很快就會使軸承部件失效。因此通過觀察軸承的運行溫度可直接判斷出軸承潤滑狀態。

而對于極壓復合鋰基脂來說由于其本身的基礎油和復合鋰稠化劑的性能都好于單皂基鋰基脂，又由于復合鋰基潤滑脂中含有S、P、CL，在一定的溫度和壓力的作用下而形成了化學反應膜。當摩擦副的溫度達到120℃以上時，當化學吸附膜失效后其化學反應膜依然可以穩定的工作，其工作溫度達180℃以上。由于化學反應膜的存在，它給摩擦表面起到很好的潤滑作用，同時也很好地控制了摩擦副表面的溫度，確保了潤滑脂的使用壽命。

3.2　新潤滑脂的運行狀態及跟蹤調查

將3臺凝泵電機軸承的潤滑脂全部更換成復合極壓鋰基脂，電機自2015年11月28日投運至今，A、B、C每臺電機累計運行時間均已超過4500h。從現場運行狀態看設備運行平穩，具主控室數據反應這三臺凝泵在這個運行周期里溫度、振動都非常穩定未出現異常波動現象，且電機非負荷側軸承運行溫升只有11℃，實測軸承溫度均在50℃以下，較上個運行周期運行溫升18℃(軸承運行溫度在57℃)均有所下降。說明這次軸承潤滑脂的更換是成功的，效果是比較明顯的。

4　結束語

在我們的實際工作中，電機軸承出現高溫現象時有發生，軸承的溫度過高其實只是一種表面現象，引發軸承溫度高的原因有多種多樣。遇到這樣的問題必須通過分析其表面現象找出軸承發熱的根本原因，只有這樣才能在我們的檢修工作中做到有的放矢從根本上解決問題。

隨著現代工業的進步對設備可靠性要求越來越高，做好設備潤滑工作就顯得尤為突出。這起案例就是一個典型的潤滑不良造成的設備故障。據統計資料顯示約有50%以上的設備故障與潤滑不良有關，做好設備的潤滑工作不僅可以延長軸承的全周期壽命還能使設備的首次故障出現的時間得以延長，提高設備的有效利用率，降低維修成本，確保設備的運行安全，這些對我們核電企業來說有著更深遠的意義。