某核電廠海水循環(huán)泵齒輪箱異物分析與處理

劉 肖，陳彰橋，杜鵬程，劉 星

（福建福清核電有限公司設(shè)備管理處，福建福清 350318）

0 引言

某核電廠海水循環(huán)泵是循環(huán)水系統(tǒng)主要能動(dòng)設(shè)備，將冷卻介質(zhì)海水增壓后輸送到凝汽器中，以冷卻核電站二回路。海水循環(huán)泵為核電站關(guān)鍵敏感設(shè)備，主要包含混凝土蝸殼泵、6.6 kV電機(jī)、行星齒輪箱、潤(rùn)滑系統(tǒng)等。其中，行星齒輪箱為立式、雙浮動(dòng)、雙斜齒、四行星結(jié)構(gòu)。該設(shè)備于2014 年投產(chǎn)，在2018 年的一次檢修中，發(fā)現(xiàn)循環(huán)泵齒輪箱的油品顏色較深，齒輪箱內(nèi)部附著有黑色泥狀物質(zhì)（見圖1）。設(shè)備用潤(rùn)滑油品為美孚DTE 重級(jí)循環(huán)系統(tǒng)油VG100。

為確保循環(huán)泵的安全運(yùn)行，對(duì)齒輪箱異物原因開展試驗(yàn)分析，根據(jù)分析結(jié)果排查設(shè)備，找到了異物產(chǎn)生的直接原因與根本原因，并進(jìn)行了處理。

圖1 循環(huán)泵齒輪箱底部異物

1 試驗(yàn)分析方案

該設(shè)備所用的美孚DTE-重級(jí)循環(huán)系統(tǒng)油VG100，是L-TSA型汽輪機(jī)油，油品中含有適量的抗氧化劑和腐蝕抑制劑。汽輪機(jī)油的作用主要是潤(rùn)滑、冷卻和調(diào)速，根據(jù)其作用特點(diǎn)，汽輪機(jī)油必須具備適宜的黏度、良好的氧化安定性和黏溫性[1]。據(jù)此，制定檢測(cè)分析方案為：①對(duì)比檢測(cè)在用油和新油的黏度、黏度指數(shù)、酸值、元素和紅外光譜圖，以分析評(píng)估在用油的理化性能、磨損和污染情況；②通過鐵譜分析、電鏡能譜分析，檢測(cè)油中異物的主要成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 理化性能與元素分析

吸油紙擦拭齒輪箱后，擠壓得到在用油樣品，如圖2 所示。新油外觀為淡黃色，清澈透明無雜質(zhì)；在用油顏色變深、渾濁有雜質(zhì)，說明在用油可能存在氧化或雜質(zhì)污染。

對(duì)比檢測(cè)在用油和新油的黏度、黏度指數(shù)、酸值、元素和紅外光譜圖。表1 是油品理化性能檢測(cè)結(jié)果，在用油的黏度、黏度指數(shù)、酸值與新油相比無明顯變化，說明在用油在使用過程中性能較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)嚴(yán)重氧化變質(zhì)情況。

油品受到紅外光照射時(shí)，油分子吸收一部分能量，并將其轉(zhuǎn)變成分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)能，不同的分子具有不同的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)能，因此就有不同的紅外光譜圖[2]。通過紅外光譜特征峰的變化情況，可以跟蹤油品中添加劑的消耗情況，從圖3 紅外光譜結(jié)果來看，在用油和新油的特征峰一致，說明在用油的添加劑消耗在正常范圍內(nèi)。

圖2 樣品外觀

表1 油品理化性能檢測(cè)結(jié)果

圖3 紅外光譜分析結(jié)果

通過元素分析（表2）發(fā)現(xiàn)，在用油存在磨損金屬元素Fe，且含量遠(yuǎn)高于新油和標(biāo)準(zhǔn)限值，F(xiàn)e 主要來源于設(shè)備軸承、齒輪等的磨損；此外，在用油中Si 元素含量高于新油，略高于標(biāo)準(zhǔn)限值，Si 為污染元素，主要來源于外界粉塵等的污染[2]。

表2 元素檢測(cè)結(jié)果

2.2 鐵譜與電鏡能譜分析

對(duì)在用油進(jìn)行鐵譜磨粒分析，根據(jù)顆粒的類別、材質(zhì)、尺寸、含量等確認(rèn)油中黑色油泥狀物質(zhì)的主要成分，檢測(cè)結(jié)果見圖4。分析發(fā)現(xiàn)，在用油中主要為亮白色顆粒（圖中①）、暗灰色顆粒（圖中②）、粉塵（圖中③），以及銹蝕顆粒（圖中④）。其中亮白色顆粒為磨粒，而暗灰色顆粒可能為鋼或鐵氧化物。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證亮白色顆粒和暗灰色顆粒的成分，分別對(duì)這兩種顆粒進(jìn)行電鏡能譜分析，檢測(cè)結(jié)果見表3 及圖5、圖6。這兩種顆粒的主要為Fe、O 元素，其中暗灰色顆粒的O 元素含量更高，主要成分為鋼的氧化物。亮白色顆粒的Fe、Sn 含量較高，為齒輪或軸承的磨損顆粒。

圖4 在用油鐵譜磨粒圖

表3 在用油電鏡能譜分析

圖5 暗灰色顆粒電鏡能譜

圖6 亮白色顆粒電鏡能譜

2.3 試驗(yàn)小結(jié)

綜上分析可見，在用油的理化性能指標(biāo)正常，油品未出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化變質(zhì)。在用油中的異物主要為鋼質(zhì)磨粒及鋼質(zhì)氧化顆粒，此外還含有油泥、粉塵、纖維顆粒。

3 設(shè)備排查分析

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)設(shè)備油位、油溫、磨損等開展排查。經(jīng)排查，循環(huán)泵齒輪箱潤(rùn)滑油油位高度為330 mm，滿足系統(tǒng)要求；對(duì)齒輪箱等進(jìn)行目視檢查，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的磨損。油溫方面，在循環(huán)泵未啟動(dòng)時(shí)，齒輪箱的導(dǎo)向軸承、推力軸承的溫度已升高到68 ℃左右（設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，油溫約為45 ℃），如圖7 所示。據(jù)此認(rèn)為，齒輪箱電加熱器對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行持續(xù)加熱，油溫傳導(dǎo)至軸承，而軸承位置離電加熱器位置較遠(yuǎn)，可以推斷電加熱器溫度應(yīng)遠(yuǎn)高于68 ℃。

圖7 齒輪箱軸承溫度趨勢(shì)

電加熱器安裝在齒輪箱圓筒內(nèi)部，其作用是對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行一定溫度范圍內(nèi)的加熱。當(dāng)溫度探頭輸入的信號(hào)低于10 ℃時(shí)，其常開觸點(diǎn)閉合，加熱器啟動(dòng)；當(dāng)溫度探頭輸入信號(hào)高于18 ℃時(shí)，其常閉觸點(diǎn)斷開，加熱器停止運(yùn)行。對(duì)電加熱器的邏輯功能進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)加熱器設(shè)置了溫度偏差值，加熱器啟動(dòng)和停止的輸入信號(hào)分別變?yōu)?5 ℃、25 ℃，但是加熱器邏輯功能正常，且改變后的輸入信號(hào)不會(huì)導(dǎo)致加熱器的持續(xù)加熱。因此，判斷溫度探頭未測(cè)得實(shí)際的油溫，輸入了錯(cuò)誤的信號(hào)，可能與探頭的安裝不到位有關(guān)。

4 綜合分析與處理

4.1 綜合分析

在用油的理化性能指標(biāo)正常，油品未出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化變質(zhì)。在用油中的異物主要為鋼質(zhì)磨粒及鋼質(zhì)氧化顆粒，此外還含有油泥、粉塵、纖維顆粒。當(dāng)設(shè)備中出現(xiàn)油泥時(shí)，設(shè)備管理人員最關(guān)心的是導(dǎo)致產(chǎn)生油泥的因素，盡管有研究推薦采用紅外、酸值變化、黏度變化等來推斷油泥的產(chǎn)生原因，但實(shí)際常常出現(xiàn)運(yùn)行油的所有性能均正常，但設(shè)備中仍有油泥生成的情況。而目前尚未就油泥的組成與生成條件建立確切的關(guān)聯(lián)[3]。在用油中的鋼質(zhì)磨粒應(yīng)該來自設(shè)備軸承、齒輪等的磨損。雖然對(duì)齒輪箱等進(jìn)行目視檢查，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的磨損，但由于油溫升高，會(huì)導(dǎo)致油黏度升高，油膜變薄，摩擦副可能會(huì)產(chǎn)生輕微磨損[4]。

潤(rùn)滑油在工作時(shí)如果處于高溫和高壓環(huán)境，設(shè)備表面的過熱點(diǎn)會(huì)引發(fā)潤(rùn)滑油的熱降解，導(dǎo)致油泥沉積在過熱點(diǎn)，不易被油流帶走[3]。此次油泥沉著在加熱器外部散熱片上，隨著潤(rùn)滑油循環(huán)，與磨粒等一起沉積在齒輪箱油箱底部，即黑色油泥狀物質(zhì)。綜合分析認(rèn)為，電加熱器的局部過熱是循環(huán)泵齒輪箱異物的直接原因；溫度探頭輸入信號(hào)錯(cuò)誤，導(dǎo)致電加熱器持續(xù)加熱造成局部過熱，是導(dǎo)致循環(huán)泵齒輪箱異物的根本原因。

4.2 處理情況

將齒輪箱潤(rùn)滑油全部排出，清理齒輪箱內(nèi)部，并進(jìn)行油沖洗（＞24 h），直至齒輪箱底部幾乎無目視可見的雜質(zhì)。確保溫度探頭安裝到位，清除加熱器的溫度偏差值。開機(jī)運(yùn)行至今，未再出現(xiàn)上述異常情況。

5 結(jié)論

在用油的理化性能指標(biāo)正常，油品未出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化變質(zhì)。在用油中的異物主要為鋼質(zhì)磨粒及鋼質(zhì)氧化顆粒，此外還含有油泥、粉塵、纖維顆粒。電加熱器的局部過熱是循環(huán)泵齒輪箱異物的直接原因。溫度探頭輸入信號(hào)錯(cuò)誤，導(dǎo)致電加熱器的持續(xù)加熱，造成局部過熱，是導(dǎo)致循環(huán)泵齒輪箱異物的根本原因。