凝結水泵電機軸承溫度高原因分析及處理措施

張 健，劉澤奇

（中核核電運行管理有限公司 維修二處，浙江 海鹽 314300）

百萬千瓦級核電機組配置3臺凝結水泵，正常工況下2臺凝結水泵運行，1臺凝結水泵備用。一旦某臺凝結水泵出現故障不可用，將導致整個機組失去備用水泵。因此，凝結水泵是二回路凝結水系統的關鍵設備，對機組的安全穩定運行具有十分重要的意義。

方家山核電機組凝結水泵電機由上海電氣集團上海電機廠有限公司生產，主要參數見表1。

1 電機軸承溫度高故障現象描述

2015年5月13日，方家山1#主控觸發了1CEX204KT“2#凝結水泵電機軸承溫度-2高”報警，指示為84.5℃。通過在現場對凝結水泵電機非負荷側軸承，用紅外線測溫儀實際測量溫度已經達到90℃。為避免繼續運行損壞電機，主控及時將2#凝結水泵電機停運切換至1#凝結水泵運行。

表1 方家山凝結水泵電機參數Table 1 Fangjiashan condensate pump motor parameters

為分析故障原因，檢修人員將2#泵電機參數與3#泵電機參數進行了分析，發生故障時兩臺電機的運行曲線如圖1、圖2所示。

根據經驗，正常工況下2#泵電機參數與3#泵電機參數應該基本相同，但從圖中可以看出，2#泵電機故障時的軸承溫度較3#泵電機有大幅增加，且2#凝結水泵電機在發生故障時僅表現為“軸承溫度高”，電機振動、電機運行電流均未發生明顯變化，具體參數見表2。

2 電機軸承溫度高原因分析及故障定位

為了進一步查找故障原因，檢修人員對故障電機進行了解體檢查，從電動機機械故障、電氣故障及軸承潤滑情況三方面入手進行仔細地檢查與測量，檢查結果如下：

圖1 2#凝結水泵電機非負荷側軸承溫度變化曲線Fig.1 2# Condensate pump motor non-load side bearing temperature change curve

圖2 2#凝結水泵電機電流和振動變化曲線Fig.2 2# Condensate pump motor current and vibration change curve

2.1 電動機機械故障原因分析

根據2#凝結水泵電機機構，可能導致軸承溫度高的機械故障主要有：

1）電動機端蓋或軸承蓋未裝平：電動機端蓋或軸承蓋未裝平會造成軸承內外圈不平行，致使軸承滾珠與滾道之間形成不均勻的夾角，從而產生某一點受力過大，運行中這一點就會導致摩擦而產生熱量。

2）電動機與泵聯接偏心：電動機與泵聯接偏心，也就是電動機與泵的聯軸器對中不良，這樣就會造成電動機整個軸系震動大，軸承受力不均勻形成單邊受力，增加了軸承局部的受力強度，造成軸承溫度的迅速升高。

表2 兩臺凝結水泵電機運行數據對比Table 2 Comparison of operating data of two condensate pump motors

表3 電機機械部分配合檢測數據Table 3 Test data of motor mechanical parts

表4 電機電氣部分檢測數據Table 4 Test data of electrical parts of motor

3）軸承內、外套配合過緊：軸承內、外套配合過緊，這種情況在電動機運行初期軸承溫度反應的并不明顯，但隨著電動機運行一定時間后，軸承相應產生了一定的溫升，這時由于熱膨脹的效應，軸承的內外圈及滾珠發生膨脹，從而使軸承的正常游隙變小或消失，這時軸承的摩擦系數逐漸加大，造成軸承溫度的快速升高。

針對上述3種可能原因，檢修人員進行仔細的測量檢查，確認電機端蓋已安裝到位、電動機與泵的聯軸器對中良好、軸承與軸承室、軸承內圈與軸頸的配合尺寸均在裝配要求范圍內。各項具體測量參數見表3。

從檢測結果分析，2#凝結水泵電機機械裝配符合安裝要求，無缺陷。因此，本次2#凝結水泵電機軸承溫度高不是由機械故障引起。

2.2 電氣故障原因分析

2#凝結水泵是三相鼠籠式立式電機，根據該電機的結構分析，可能引起軸承溫度高故障的原因有：

1）繞組的直流電阻不平衡：繞組的直流電阻不平衡，造成定轉子間有一定的電位差，它會在定轉子間形成電流，從而在轉子上產生軸電流，該電流只有通過軸承來泄掉。這部分熱損耗是以軸承的溫升高為代價的，繞組的不平衡量越大，軸承溫度也就越高。

2）磁力中心線偏差：電動機定轉子磁力中心線偏差能夠造成電動機兩端磁場作用不對稱。電動機定子的磁場本身是對稱的，但轉子與定子的磁力線不垂直，這時轉子隨著電動機自找磁力中心線的特性而不停地向磁力中心線移動，但軸承已經是固定不可移動的，所以軸承這時在磁拉力的作用下，局部的摩擦系數增大，造成軸承發熱。

針對上述兩種可能原因，檢修人員測量了繞組的直流電阻，并對電機轉子與定子間的氣隙進行了檢查，確認三相直阻平衡、電機轉子與定子間的氣隙均勻，符合安裝要求。各項具體測量參數見表4。

從測量結果分析，2#凝結水泵電機無匝間短路，電機定轉子同心度較好，無缺陷。因此，本次2#凝結水泵電機軸承溫度高不是由電氣故障引起。

2.3 軸承潤滑故障原因分析

對于脂潤滑的軸承而言，潤滑脂的油質、軸承室內的潤滑脂添加量都會對軸承的運行狀況及軸承壽命產生較大影響。當出現軸承潤滑故障時，會導致軸承溫度異常升高，高溫會促使軸承室內的潤滑脂迅速變干變硬，從而使軸承的潤滑狀態變壞。潤滑故障一般由以下原因引起[3]：

1）軸承潤滑脂內含有大的固體顆粒雜質：固體顆粒進入軸承滾道后，被滾動體壓入滾道形成壓痕，由于壓痕使壓痕區產生塑型變形，使這個區域材料的機械強度降低。當滾動體再次經過壓痕時會產生高應力集中現象，而在以后的循環碾壓下，在壓痕后側便出現麻點，造成表面粗糙，增加軸承的摩擦力。還有一種情況就是油脂中含有水分，水和潤滑脂起水解反應，釋放出活性酸腐蝕軸承金屬；水直接腐蝕金屬，使軸承表面生銹而產生蝕坑和蝕斑。

2）潤滑脂過少：潤滑脂過少時會使軸承的潤滑狀態變差，導致軸承的滾珠與滾道之間無法形成穩定的油膜，造成軸承潤滑不良，使軸承的滾珠與滾道產生金屬直接摩擦，使軸承溫度異常升高。

3）潤滑脂過多：過多的潤滑脂會堵塞軸承室的散熱空間，降低了散熱效率，使軸承正常運轉所產生的熱量無法及時散出，導致軸承溫度升高。

通過對2#凝結水泵電機解體檢查，發現非負荷側軸承及軸承擋油蓋內存有大量潤滑脂（軸承內外滾道間潤滑脂填滿，已無空隙且軸承與擋油蓋之間的空隙已由潤滑脂形成凸起的隔離帶）并且已經硬化，并伴有結焦現象（見圖3(a)、圖3(b)），軸承泄油管內無潤滑脂，軸承滾道表面有金屬剝落現象。從解體觀察的現象分析，軸承潤滑脂添加量過多、軸承潤滑脂含有大顆粒雜質可能是導致此次2#凝結水泵電機軸承溫度高的主要原因。由于該電機在之前運行過程中無振動和異音超標及潤滑脂乳化現象，可以基本排除潤滑脂含雜質的可能性。由此，可以推斷，軸承潤滑脂添加量過多是引起電機軸承溫度高的根本原因。

圖3 (a) 電機軸承室內油脂情況Fig.3(a) Grease situation in the motor bearing room

圖3 (b) 電機軸承室內油脂情況Fig.3(b) Grease situation in the motor bearing room

綜上所述，此次2#凝結水泵電機軸承溫度高的故障與電機機械故障及本身的電氣故障無關，導致軸承溫度高的根本原因是軸承室內潤滑脂添加量過多。

3 造成電機軸承潤滑脂添加過多的主要原因

根據實踐經驗，造成電機軸承潤滑脂添加過多的原因主要有以下幾種：

3.1 軸承在初期加入了過量的潤滑脂

設備供應商在軸承更換安裝時的初始加油量，大多在設備維修手冊上是找不到的，但設備供應商出于保守考慮，在新軸承安裝時的初期加入潤滑脂的量要遠大于軸承實際的消耗量。這在軸承的跑合階段影響了油脂滾動渠道的形成，大量的油脂在滾道里被反復攪動，再進行周期補油時，會引起運轉中的溫度波動，很容易造成軸承溫度急劇上升后居高不下。

3.2 運行過程中對軸承添加潤滑脂頻度過高

在凝結水泵電機運行過程中，會定期觸發出給電機定期添加潤滑脂的工單。但是這個定期觸發周期相關部門可能沒有經過科學的計算和實際論證，這就造成了定期添加潤滑脂頻度過于頻繁。添充的油量往往大于消耗的油量，軸承里的潤滑脂隨著運行時間或自然時間的累積，或因老化，或因堆積過多，這就容易造成軸承溫度的上升。

3.3 軸承潤滑脂添加量

定期添加潤滑脂的工單按計劃觸發出來，檢修人員按照工單下達日期對電機進行定期添加潤滑脂，但實際添加潤滑脂的量也沒有一個量化標準，只能靠當天添加潤滑脂檢修人員的經驗去量化。但每次添加潤滑脂的檢修人員不是同一人，工作經驗也是參差不齊，加油設備可能也是不相同的，這就容易造成添加潤滑脂實際量過多，造成軸承溫度的上升。

4 改進措施及改進效果

根據可能引起電機軸承潤滑脂添加過量的原因，檢修人員采取了有針對性的改進措施。

4.1 量化軸承的初始加油量

目前，所能收集到的關于軸承檢修安裝中的初始加油量和日常補充油脂量，還沒有一個通用的數字量化標準，其公式計算和體積的百分比的填加方法，也是建立在經驗統計基礎之上的，所給出的填充量也是一個范圍之內的數量集合。因此，根據軸承型式、空間容積、旋轉速度和潤滑劑的種類不同，按照科學的計算方法來確定潤滑脂添加量。

1）按軸承和軸承室的空間大小確定初始填充量

軸承潤滑脂填充量的指標通常為軸承空間容量的30%～40%，以及軸承室空間容量的30%～60%。

根據軸承潤滑脂的允許極限轉速n0和軸承實際工作轉速n的比值來確定初始填充量。

首先，將潤滑脂填滿軸承內部。此時，保持架引導面也要塞進潤滑脂；然后，對除外殼內部的軸及軸承之外的空間容積按以下量填充潤滑脂[1]：

當n0/n≤1.25時，建議潤滑脂填充量占軸承內部自由空間的1/3。

當1.25＜n0/n≤5時， 建議潤滑脂填充量占軸承內部自由空間的1/3～2/3。

當n0/n＞5 時，建議潤滑脂填充量占軸承內部自由空間的2/3以上。

潤滑脂的填充要按設計量注入，還要在軸承室空間合理分配。軸承室空間由軸承腔，內、外軸承蓋間三部分組成。潤滑脂應盡量分配在軸承腔和能與軸承包絡的面上，填滿滾珠和滾道之間。在軸承與內、外軸承蓋之間，潤滑脂要填滿其空間的1/3。

2#凝結水泵電機用的潤滑脂為3#鋰基脂，符合要求。經查詢，3#鋰基脂的n0≤4500r/min，凝結水泵電機轉速為1490r/min，n0/n=4500/1490=3.02；根據當1.25＜n0/n≤5 時，建議潤滑脂填充量占軸承內部自由空間的1/3～2/3，所以對2#凝結水泵電機非負荷更換新軸承后，初始油脂添加量為軸承內部自由空間的1/3～2/3。

圖4 定期添加潤滑脂時間間隔計算曲線Fig.4 Calculation curve of the time interval ofadding grease regularly

2）確定潤滑脂定期添加的間隔時間

秦山核電320MW機組在2005年已制定了定期潤滑管理制度，并取得了良好實踐。按電動機組運行狀況、運行環境、機組軸承型號，制定軸承潤滑管理計劃，提高設備運行的可靠性。

秦山核電1089MW機組在此次凝結水泵軸承溫度高缺陷處理后，關于軸承定期添加的周期間隔，將繼續延用秦山核電320MW機組的良好實踐。根據SKF軸承廠商提供的計算圖表，推算如下[4]：

圖4中，綠線所指的是秦山核電廠高壓電動機較為常用的6字開頭型號的軸承補充油脂所需的間隔時間；紅線所指的是方家山凝結水泵電機此次發生溫度高的7字開頭的推力軸承補充油脂所需的間隔時間。

方家山凝結水泵電機此次發生溫度高的非負荷側軸承為SKF軸承，型號為7330BCBM，軸承內徑為150mm，電機的額定轉速為1490r/min。可以確定此設備的添加潤滑脂間隔周期為3500h。在凝結水泵電機的軸承運行中，當軸承運行溫度超過70℃時，每增加15℃時，補充油脂的間隔時間需要減半[2]。

方家山凝結水泵電機的軸承運行溫度均低于70℃，可參照3500h執行。

4.2 確定潤滑脂定期添加的使用量

在定期添加油脂的間隔周期確定后，根據SKF軸承油脂使用量的經驗公式，計算軸承定期添加的潤滑脂脂份量：

G=0.005×D×B （g）

G——需添加的潤滑脂數量（g）。

D——軸承外徑（mm）。

B——軸承寬度（mm）

由SKF軸承手冊查詢7330BCBM軸承參數：D=320mm；B=65mm

G =0.005×D×B=104 g

4.3 改進效果驗證

根據以上計算結果，確定了2#凝泵電機的軸承潤滑脂初裝量為軸承空間的1/3，潤滑脂添加頻度為3500h，運行期間的單次添加量為104g。按照這一要求，檢修人員更換了2#凝泵電機軸承，并重新添加新的潤滑脂，電機回裝后通電帶載試車2h，經連續監測確認電機軸承溫度、振動、聲音等各項指標正常。目前，2#凝泵電機已連續運行超過240h，未發現軸承溫度異常升高的現象。

5 結束語

通過對2#凝結水泵電機軸承溫度高的原因分析，找到了導致軸承潤滑脂添加過多的可能原因，并提出了控制軸承的初始加油量；合理確定潤滑脂定期添加的間隔時間；量化潤滑脂定期添加量等改進措施，有效地消除了設備缺陷，提高了凝結水系統的運行可靠性，保證方家山百萬千瓦核電機組的安全穩定運行。

同時，通過此次缺陷檢修，使檢修人員對電機軸承潤滑故障有了更加深入的認識，對今后分析、處理“電機軸承溫度高”故障，具有十分重要的參考價值。