FQHDL35型海水循環泵齒輪箱軸系擺度超標原因

陳坤池，鄭嘉榕，郭金強

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

百萬千瓦核電站循環泵一般為大型立式混流泵，其功能是將海水加壓后輸送至凝汽器和輔助冷卻水系統[1]。對于大型立式水泵組，其軸系擺度測量、計算、處理及調整是其安裝、檢修、維護過程中鑒定安裝質量和設備質量的重要標準之一[1]。某百萬機組核電站1#機組B 列循環泵在首次大修檢查時，對電機、齒輪箱、泵軸三軸軸系擺度盤車復查過程中發現泵軸導軸承處以及齒輪箱輸出軸位置擺度值接近1 mm，遠遠超出循環泵泵組安裝規范驗收標準（泵軸擺度≤0.10 mm，齒輪箱輸出軸擺度≤0.28 mm），可能引起泵組振動惡化、軸承等機械部件磨損的問題，嚴重威脅循環泵的安全穩定運行。

1 故障排查及原因分析

1.1 循環泵泵組結構分析及擺度超標故障點確認

循環泵泵組主要由電機、行星式結構齒輪箱、鋼筋混凝土蝸殼泵、潤滑系統等組成的大型立式混流泵。其軸系擺度由電機軸線、齒輪箱軸線及泵軸軸線組成[2]。

根據泵組結構特點，對循環泵電機、齒輪箱、泵軸系進行逐一單獨盤車排查，發現電機軸系擺度合格，齒輪箱單體輸出軸擺度仍為0.98 mm，因此確定了齒輪箱故障是軸系擺度超標的主要原因。

1.2 齒輪箱擺度超標原因分析及排查

對FQHDL35 型齒輪箱結構功能分析，將造成輸出齒輪箱輸出軸軸擺度超標的主要可能原因繪制成石川圖（圖1）。

對盤車條件各因素排查，確認了人工盤車轉速穩定性較差且對轉子有一定的沖擊但人工盤車不會造成大幅度的擺度超標。結合齒輪箱解體檢查，排除安裝裝配不到位情況，同時確認組合軸承完好無磨損。

圖1 齒輪箱輸出軸擺度超標石川圖

檢查發現固定環裝置中固定套上、下兩對（各2 個）配對圓形截面卡簧中的2 個下卡簧出現不同程度磨損（設計標準為Φ10 mm，磨損量≤0.5），其中下卡簧截面直徑為Φ9.8 mm（上部磨損0.2 mm），下卡簧截面直徑為Φ8.4（上部磨損0.2 mm；下部磨損1.4 mm）。同時檢查行星芯包裝置外觀，發現行星輪軸上方可視部分有塊狀及粉末狀巴氏合金碎末，初步定為行星芯包存在故障。

為明確行星芯包故障情況，對其進行解體檢查發現行星芯包中4 根行星輪軸軸瓦表面存在不同程度磨損。行星輪軸軸承部位（巴氏合金）外徑設計標準為mm。經檢查測量，4根行星輪軸外徑分別為Φ249.64～249.72 mm（中度粘接）、Φ249.69～249.77 mm（輕度粘接）、Φ249.60～248.57 mm（嚴重粘接）、Φ249.70～249.86mm（輕度粘接），可以確認，齒輪箱輸出軸擺度超標的直接原因是行星芯包行星輪軸磨損。具體機理下文詳細分析。

因為現場條件及大修工期限制，首次大修現場通過對行星芯包進行整體更換后裝配，檢查齒輪箱輸出軸擺度為0.12 mm，聯軸后測量泵軸擺度為0.09 mm，啟動驗證泵組運行正常。

通過上述分析可以確認，齒輪箱輸出軸擺度超標直接原因為行星輪軸磨損以及固定套下卡簧磨損導致的。行星芯包整體更換后循環泵泵組擺度合格則從側面進一步排除了電機、泵軸自身故障的可能。

1.3 齒輪箱擺度超標根本原因分析

行星輪與行星輪軸本質是一對滑動軸承，本故障齒輪箱行星輪軸巴氏合金軸承主要失效形式是膠合、粘接即瓦面燒毀磨損。軸瓦膠合可能原因有機組振動超標造成齒輪箱運行異常、潤滑油黏度設計不合理、潤滑油流量不足、軸瓦間隙設計不當、瓦面缺油、潤滑油污染等[3]。

（1）調取循環泵泵組歷史運行情況良好，排除了機組運行異常的可能。

（2）同行電廠其他7 臺同廠家同設計的循環泵齒輪箱并無出現擺度超標、行星輪軸膠合情況，而且行星芯包整體更換后齒輪箱運行正常。排除齒輪箱潤滑油黏度設計不合理、潤滑油設計流量不足、軸瓦設計不當等設計共性因素。

（3）行星輪軸軸瓦潤滑油由潤滑油泵從齒輪箱油箱吸油并提供0.17～0.20 MPa 動力、經一定長度油管到達行星輪中心孔后從中間兩個進油孔流向瓦面提供潤滑。

調查齒輪箱安裝調試情況，循環泵電機、齒輪箱、泵軸三軸軸系對中盤車調整過程中，潤滑油系統處于停運狀態，設計上未考慮為齒輪箱行星芯包提供帶壓的潤滑油，而是僅采用人工方式行星芯包上方淋油，其潤滑油壓、潤滑油量不足以進入行星輪軸瓦面，導致行星輪軸瓦面嚴重缺油，多次盤車造成瓦面一定程度的磨損。而且，本臺循環泵為首臺安裝機組，其安裝盤車次數最多，可能進一步加劇了行星輪軸的磨損。

此外，經檢查齒輪箱潤滑油系統過濾器濾芯附著較多可見黑色雜質、過濾器濾芯頂部因安全閥脫開失效。可以確認運行過程中，潤滑油未經過濾芯直接從旁路通過，潤滑油品質惡化加速了行星輪軸軸瓦磨損。

1.4 故障原因分析的結論

從以上的原因分析可知，可確定齒輪箱輸出軸擺度超標的根本原因為設計上未考慮為齒輪箱行星機構提供有效潤滑，調試安裝階段，循環泵電機、齒輪箱、泵軸三軸軸系對中盤車調整過程中，行星輪軸瓦面嚴重缺油，多次盤車造成瓦面磨損；促成原因為潤滑油系統過濾器失效導致潤滑油品質惡化；直接原因為行星輪軸瓦面嚴重磨損。

主要機理：循環泵齒輪箱未投入運行階段，因在瓦面缺油情況下多次盤車，行星輪軸軸瓦不能及時冷卻、溫度過高，造成巴氏合金層一定程度的磨損、粘接。在后續長周期運行期間，粘連的這部分巴氏合金粘接起更多的巴氏合金，再加上潤滑油品質下降，引起行星輪軸軸瓦嚴重膠合、磨損。行星輪軸磨損引起行星輪運行轉動存在一定的偏擺，在運行過程中行星輪與太陽輪、上下齒圈、固定環裝置中的齒輪嚙合偏離正常設計工況，導致行星芯包限位卡簧磨損，兩者相互影響，隨著運行時間推移，行星輪軸及卡簧磨損程度加劇，行星芯包在軸向浮動、徑向擺動量偏大，最終導致循環泵齒輪箱輸出軸擺度超標。

2 改進措施及維護優化

某百萬千瓦核電站1#～4#機組循環泵泵組按照上述措施優化后，未再出現泵組輸出軸擺度嚴重超標事件，有效提升了設備運行的可靠性。根據泵組運行維護手冊要求，每年大修需復查調整循環泵泵組軸系擺度，針對本次故障提出以下改進措施和維護優化。

（1）循環泵泵組軸系盤車增加齒輪箱盤車輔助潤滑油泵裝置的改進。在安裝或檢修盤車期間，因為潤滑油系統處于停運狀態，無法對齒輪箱行星芯包裝置提供有效潤滑油，因此改進增加一套盤車輔助潤滑裝置專門為齒輪箱提供潤滑。在后續數次大修中驗證了其既能滿足設備潤滑需求，同時還可以消除手動淋油對擺度測量產生的影響。

（2）優化FQHDL35 型齒輪箱檢查標準以提前識別故障。以齒輪箱輸出軸擺度≤0.28 mm 為第一標準，同時輔助檢查行星芯包中兩對卡簧可視部位磨損程度及齒輪箱內部金屬顆?；蛩樾嫉暮?，可提前識別設備潛在故障，提高維護效率，縮短檢修周期。

（3）嚴格控制潤滑油品質：首先，每年大修需對潤滑油系統過濾器定期檢查清洗；其次，每次設備檢修后確認齒輪箱及潤滑油系統內部的清潔度；最后，提高潤滑油指標控制要求，其顆粒度標準由原來的≤NAS.8 級提高至≤NAS.6 級，水分控制≤200×10-6的水平。

（4）日常運行期間，密切關注泵組振動、軸承溫度等關鍵參數。