廠用水泵軸承冷卻水變更

摘要：三門核電廠用水泵采用立式液下長軸泵，該泵使用AR材質的徑向軸承、海水潤滑。由于三門灣海水泥沙含量較高，直接采用高含沙海水潤滑冷卻徑向軸承，必將造成沙礫侵入軸承摩擦副導致磨損加速。本論文將針對軸承可能過早產生的磨損失效問題，考慮對該泵軸承潤滑冷卻水進行改造，將軸承潤滑冷卻介質從高含沙海水改為工業淡水，為今后該泵徑向軸承過早可能產生的磨損失效問題的處理提供一個技改參考方案。

關鍵詞：立式液下長軸泵;AR材質;徑向軸承;含沙海水;磨損失效

三門核電AP1000單堆機組設置了4臺廠用水泵為一回路設備冷卻提供冷源，廠用水泵為立式液下長軸泵的結構，泵體總長17米左右。由多段筒體和軸組成，兩級葉輪設計，徑向軸承采用海水潤滑的耐磨AR軸承。直接采用海水進行泵軸承潤滑，會造成沙礫侵入軸承摩擦副從而加速磨損。本文將針對這一問題，在已有泵結構基礎上提出一些小范圍的改進設計方案，為今后處理此問題提供一個參考方案。

1 徑向軸承失效機理

1.1 長軸的渦動

軸的渦動又稱甩轉，是轉軸圍繞某一偏離幾何軸心的軸線旋轉的運動。長軸機械在徑向軸承間隙過大時非常容易產生軸的渦動。發生軸渦動后，要及時維修被磨損軸徑或更換軸承，使軸和軸承間隙達到正常，如不及時更換磨損的軸套和軸承，徑向軸承的磨損速度會加劇，軸容易彎曲，甚至造成更嚴重的斷軸事故。

1.2 AR軸承在含砂海水中的磨損

三門灣海水泥沙含量為3.83～7.396kg/m3，杭州灣海水中泥沙的平均含沙量為2.5kg/m3，最大含沙量為4.22kg/m3。秦山核電等使用AR軸承的相關液下長軸泵，檢修周期為12-18個月、個別泵不到12個月就需檢修。在泵解體后檢發現，徑向軸承、軸套配合間隙超標，且表面均會出現犬齒狀溝槽，與以上分析一致。

1.3 防止泥沙侵入軸承的措施

鑒于以上的原因，在設計輸送含有磨粒介質的泵時，一定會考慮軸承/軸套與介質的兼容性，并會采取一定的方法避免介質直接與徑向軸承接觸。一般較常見的設計是設置泵軸護套管。護套管與每組軸承相連接，從而形成一個獨立的腔室，再引入一股壓力較高的清水來潤滑和冷卻軸承，且可以防止含雜質的介質侵入。綜合以上可以推測：三門核電廠用水泵在今后的運行中，可能會按照以下的失效模式產生故障：由于設計之初未將徑向軸承與含砂海水隔離，大量海沙進入徑向軸承摩擦副;海沙做為磨粒，加速了AR軸承和雙相不銹鋼軸套的磨損，導致軸套表面粗糙，軸承間隙增大;粗糙的表面惡化了摩擦副的工作狀態;軸承間隙達到某一臨界值后，發生泵軸渦動，產生了附加的徑向力，增加了磨損軸承以及相鄰軸承的載荷，加速軸承的磨損;軸承磨損后，泵機組振動變大，運行可靠性下降，并可能造成更進一步的損壞。

2 總體改造方案介紹

針對上述的問題，為提高廠用水泵的運行可靠性，可以為各級徑向軸承引入一股清水進行潤滑冷卻，并使清水的注入壓力大于海水，從而防止含砂海水進入軸承。但由于廠用水泵已經設計定型，不可能做出太大的改動。綜合多方面考慮和對若干備選方案進行對比后，最終選擇以下方案：

葉輪級的導流殼及軸承支架處的軸承室采用軸護套管連接、所有軸承支架在其軸承室及筒體壁上打孔，增加注水管線，在各級軸承室上增設浮環密封結構，從而形成多個相對封閉的軸承腔室，并引入清水進行潤滑冷卻。注入水母管設置在泵筒體外側，由小直徑的支管為軸承供水。這個方案具有如下的優點：對原設計的改動最小，對水泵的性能沒有影響;采用了成熟的材料和工藝;可以達到可靠的結構設計;可維修性高;所有涉及的機加工修改工作可在現場的現有機加工條件下完成;沒有使用焊接方法，不會造成雙相不銹鋼耐腐蝕性能的下降。

2.1 浮環密封的優點

壽命長;安裝、拆卸方便;浮環密封本身具有一定的泄漏量，有利于軸承散熱;結構簡單緊湊。

2.2 筒體外側布管的優點

施工簡單;不影響廠用水泵的維修工藝;改造成本低;結構緊湊，可靠。本改造對水泵的水力性能不產生影響。由于大量管件分布在泵筒體外部，不會對水泵的通流面積造成影響。

3 設計方案細化

3.1 浮環設計

浮環密封安裝在需要密封的軸承兩端，由新增加的壓蓋進行固定，壓蓋由螺栓固定在軸承室的端面上。浮環在壓蓋中可以沿軸向和徑向自由運動。浮環內徑與軸套之間為小間隙配合，泄漏量可以通過配合間隙的大小來控制。

3.2 軸承和軸承室的修改

為了保證軸承室內注入水的均勻分布，需要對軸承室和AR軸承進行一定的結構修改。在軸承室的內部中間位置，車削一個環形進水溝槽，注入水支管與溝槽連通。在AR軸承的對應高度位置開3-6個孔，保證進水均勻。進入軸承的冷卻水流量可以通過注水孔的數量和直徑來進行控制。

3.3 首級、二級導流殼增加護套管

在每級導流殼和其上部的軸承支架之間安裝一個軸護套管，導流殼軸承室的下端面及上部軸承支架的上端面上各安裝一個浮環密封，清水從軸承支架的軸承室內供入。

3.4 供水管線的布置

從安全性考慮，為盡可能保證供水系統的可靠性、降低風險，采取并聯供水的方式，采用1根供水母管通過各分水支管對每個徑向軸承單獨供水，確保冷卻水供給獨立性，并且可以簡化管道布置。

3.4.1 軸承潤滑冷卻水供水壓力、流量驗證。

本論文從泵運行與靜止狀態兩方面出發，針對改造后的徑向軸承潤滑冷卻水的供水流量、壓力進行計算，以驗證以下兩種情況：在泵運行時，設計的供水壓力能保證浮環密封泄漏量滿足軸承散熱要求;驗證在泵靜止狀態時，供水能充滿徑向軸承室及護套管，證明可安全啟泵。

3.4.2 軸承散熱所需冷卻水量及浮環密封壓力損失計算、供水壓力計算思路如下：

1）為保證設計供水壓力能使浮環密封泄漏量大于軸承散熱所需冷卻水量、證明軸承潤滑冷卻水改造方案能滿足軸承散熱要求，先計算出泵運行時軸承最大散熱路徑所需冷卻水量;2）然后將該冷卻水量值作為浮環密封的最低泄漏量要求來計算浮環密封的壓力損失;3）將浮環密封壓力損失加上給軸承供水路徑上的沿程壓力損失和局部壓力損失，得出整個路徑壓力損失，再加上廠用水泵運行時兩級葉輪出口處的海水壓力值，得出最低淡水供水（從IWS系統引工業淡水）壓力需求。通過流體力學公式計算，供水壓力0.74MPa以上能充分滿足軸承散熱要求、泵運轉時可實現軸承潤滑冷卻水的注入。

3.4.3泵靜止時（啟泵前）、供水可充滿徑向軸承腔室驗證

浮環泄漏量計算：計算浮環泄漏量為117.284L/min。根據經驗，取1.2倍泄漏量140.74L/min作為管道泵的設計流量;

供水母管流速計算：供水母管進水流速計算可得V=1.87m/s（按DN40計算）;此時可滿足整個軸承冷卻水供水流量要求。

3.4.4 軸承供水源設計、管道泵選取

從IWS工業水管網DN150處引入一路DN40的工業水管路，其壓力為0.5MPa，設計引入管道泵加壓至1.2MPa左右，通過調壓閥管路減壓至所需壓力后（泵正常運行時為0.74MPa），給廠用水泵徑向軸承供潤滑冷卻水。

選取管道泵時，要求泵的設計流量為140.74L/min，揚程為0.7MPa（因IWS工業水系統過來的壓力為0.5MPa）。

4 結語

本論文提出廠用水泵徑向軸承存在過早磨損失效的可能問題及針對該問題的解決方案，從徑向軸承的磨損機理、改造方案選取、設計方案細化介紹、方案對水力性能、維修拆裝工藝性影響、方案壓力及流量計算分析了廠用水泵軸承潤滑冷卻水改造方案并證明了其可行性。

參考文獻：

[1]關醒凡.泵的理論與設計[M].北京.機械工業出版社，1987.

作者簡介：卿艷豐（1986.11-），男，湖南人，工程師，從事水泵維修方面的工作。