二代改進(jìn)型核電機(jī)組反應(yīng)堆余熱排出泵電機(jī)軸承溫度異常問題研究

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(1.福建福清核電有限公司，福建 福清 350300；2.中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

核電廠余熱排出系統(tǒng)(RRA)用于排出堆芯余熱、一回路水和設(shè)備的顯熱以及主泵產(chǎn)生的熱量，余熱排出泵由余熱排出泵電動機(jī)直接驅(qū)動。國內(nèi)某核電廠二代改進(jìn)型核電機(jī)組RRA系統(tǒng)采用由法國JEUMONT公司生產(chǎn)的TNC 630 AX4型電機(jī)[1]，額定轉(zhuǎn)速1483.5 r/min，油脂型號：MOBIL MOBILTEMP SHC100，該電機(jī)非驅(qū)動端軸承為6326 M/C3，驅(qū)動端軸承為NU324ECM/C3，均為大游隙軸承。

在核電機(jī)組分別處于MCS(維修停堆模式)、NS/RRA(RRA冷卻正常停堆模式)、NS/SG(蒸汽發(fā)生器冷卻停堆模式)、RP(反應(yīng)堆功率運行)模式運行時，1臺余熱排出泵不可用將記入機(jī)組IO(隨機(jī)事件，需在規(guī)定時限內(nèi)盡快消除該事件，否則機(jī)組將撤至后備模式)，缺陷處理工期極其有限(MCS：24 h；NS/RRA：3*24 h；NS/SG：7*24 h；RP：7*24 h)。如未能在規(guī)定時間內(nèi)完成缺陷處理，機(jī)組狀態(tài)將被迫后撤，導(dǎo)致機(jī)組非計劃停機(jī)停堆甚至引起電網(wǎng)功率波動[2]。

此外，如故障發(fā)生時機(jī)組處于RP運行模式，核島內(nèi)輻射劑量大，維修人員處理缺陷時將不得不暴露于核島輻射環(huán)境中，對工作人員身體健康產(chǎn)生危害。

1 事件概述

某核電廠3RRA001MO(3號機(jī)組1號余熱排出泵電機(jī))啟動后，電機(jī)驅(qū)動端軸承溫度探頭3RRA012 MT顯示讀數(shù)持續(xù)上升至62 ℃，穩(wěn)定8 min又以較快的速率上升至81 ℃(一階報警值90 ℃，二階報警值報100 ℃；依據(jù)報警卡，大于90 ℃建議停泵，溫度趨勢見圖1)，運行人員隨即手動停運余熱排出泵電機(jī)并ON CALL維修人員進(jìn)廠處理缺陷。

圖1 3RRA001MO電機(jī)驅(qū)動端溫度趨勢Fig.1 Drive end temperature trend of 3RRA001MO

調(diào)取電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)記錄，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)在移交后進(jìn)行過軸承潤滑。因軸承油脂添加過量將會導(dǎo)致軸承溫度升高[3]，結(jié)合現(xiàn)場工作條件和工期，初步制定打開驅(qū)動端軸承小蓋，對軸承進(jìn)行人工排油的工作方案。排油過程中發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承油脂呈褐色，正常MOBIL MOBILTEMP SHC100油脂為淡黃色，電機(jī)軸承內(nèi)油脂變色嚴(yán)重。

排油結(jié)束后，組織對電機(jī)進(jìn)行空載試車。試車期間，電機(jī)驅(qū)動端軸承最高溫度達(dá)到76 ℃，隨后緩慢下降至36 ℃，期間電機(jī)運行振動值合格、聲音無異常；隨后完成回裝聯(lián)軸器、對中，對電機(jī)進(jìn)行帶載試車，電機(jī)驅(qū)動端最高溫度為68 ℃，最終穩(wěn)定在40 ℃附近(見圖2)。

圖2 3RRA001MO電機(jī)驅(qū)動端溫度趨勢Fig.2 Drive end temperature trend of 3RRA001MO

隨后3RRA001MO電機(jī)在正常運行過程中，驅(qū)動端軸承出現(xiàn)一個大幅溫度波動(見圖3，最高達(dá)80 ℃)，并在1 h后下降至38 ℃(期間余熱排出泵運行工況未發(fā)生變化)；結(jié)合3RRA001MO歷次運行的軸承溫度情況，并對比3RRA002 MO電機(jī)驅(qū)動端軸承溫度值，初步判斷3RRA001MO驅(qū)動端軸承存在缺陷。

圖3 3RRA001MO電機(jī)驅(qū)動端溫度趨勢Fig.3 Drive end temperature trend of 3RRA001MO

一個月后再次啟動 3RRA001MO運行，發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動端軸承較高(最高溫度達(dá)83.7 ℃)，并伴有波動趨勢(見圖4)。

圖4 3RRA001MO電機(jī)驅(qū)動端溫度趨勢Fig.4 Drive end temperature trend of 3RRA001MO

2 原因分析及問題處理

鑒于3RRA001MO多次發(fā)生驅(qū)動端軸承溫度異常波動情況，經(jīng)深入分析、咨詢并調(diào)研同行電廠經(jīng)驗反饋，歸納并總結(jié)造成余熱排出泵電機(jī)驅(qū)動端溫度異常的原因主要有以下幾種可能。

1)電機(jī)驅(qū)動端軸承室內(nèi)潤滑脂較多引起散熱不暢；

2)軸承座與電機(jī)軸承外圈的配合較緊，引起溫度異常；

3)運輸轉(zhuǎn)運過程中未對電機(jī)進(jìn)行鎖軸，造成軸承出現(xiàn)微缺陷，引起軸承溫度波動[4]。

由于前期出現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動端軸承異常波動情況時已經(jīng)對電機(jī)進(jìn)行了排油操作，對比1、2號電機(jī)歷次加油記錄，發(fā)現(xiàn)兩臺電機(jī)軸承所加油脂量相差無幾。基于以上分析，1號余熱排出電機(jī)驅(qū)動端存在除油脂添加過量以外的其他因素促成驅(qū)動端軸承溫度異常。對此，對解體余熱排出泵電機(jī)并更換軸承及油脂，發(fā)現(xiàn)問題如下：

(1)3RRA001MO解體后發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動端、非驅(qū)動端軸承油脂均為褐色

根據(jù)4RRA余熱排出泵電機(jī)安裝、試車情況，4RRA001/002PO余熱排出泵電機(jī)在空載試車前添加潤滑油脂，油脂從調(diào)試庫房領(lǐng)用，調(diào)試庫房中的MOBIL SHC 100油脂為低溫型(紅褐色)，為錯誤的油脂型號，后重新領(lǐng)取了正確型號油脂MOBIL MOBILTEMP SHC100(高溫型、淡黃色)并進(jìn)行添加。故不排除3RRA001MO電機(jī)在安裝、調(diào)試期間添加了錯誤型號油脂的可能性，因此將電機(jī)驅(qū)動端、非驅(qū)動端油脂取樣并送至專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗，結(jié)果如表1、圖5、表2、圖6所示。

表1 驅(qū)動端油脂綜合測試

圖5 驅(qū)動端油脂紅外光譜Fig.5 Infrared spectral analysis of drive end grease

表2 非驅(qū)動端油脂綜合測試

圖6 非驅(qū)動端油脂紅外光譜Fig.6 Infrared spectral analysis of non-drive end grease

結(jié)論：

1)與非驅(qū)動端軸承相比，驅(qū)動端軸承中的磨損情況更嚴(yán)重，潤滑脂顏色更深，工作錐入度的變化也更大，表明驅(qū)動端軸承脂存在一定程度的膠體破壞、油脂氧化(見表3，圖7～圖9)。

圖7 新脂F(xiàn)ig.7 New grease

圖8 驅(qū)動端舊脂F(xiàn)ig.8 Used grease of drive end

圖9 非驅(qū)動端舊脂F(xiàn)ig.9 Used grease of non-drive end

表3 油脂元素分析

2)MOBIL SHC 100為鋰基潤滑脂，MOBIL MOBILTEMP SHC100為粘土潤滑脂，脂中不含有Li皂基元素：在兩個軸承所用潤滑脂中均未發(fā)現(xiàn)Li元素，表明兩個軸承沒有混入MOBIL SHC 100油脂[5]。

(2)3RRA001MO電機(jī)驅(qū)動端、非驅(qū)動端端蓋軸承室與各自軸承外徑公差配合不滿足K6公差帶(+0.01～-0.03 mm)要求

根據(jù)同行電廠經(jīng)驗反饋，在該3RRA001MO余熱排出泵電機(jī)解體檢修過程中，檢查電機(jī)軸承公差配合度，經(jīng)測量電機(jī)驅(qū)動端、非驅(qū)動端軸承室最小內(nèi)徑分別為259.950 mm、279.955 mm，不滿足3/4RRA余熱排出泵電機(jī)出廠試驗報告中對軸承室內(nèi)徑配合公差帶K6(+0.01～-0.03 mm)的要求。經(jīng)與各方人員及專家討論分析、并達(dá)成一致意見，電機(jī)驅(qū)動端、非驅(qū)動端軸承室內(nèi)徑與軸承外徑的配合過盈度偏大，導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈受到擠壓、工作游隙變小，是造成電機(jī)驅(qū)動端軸承溫度偏高、異常波動問題的重要原因[6]。

經(jīng)與各方討論并達(dá)成一致意見，對3RRA001MO余熱排出泵電機(jī)驅(qū)動、非驅(qū)動軸承室內(nèi)壁進(jìn)行研磨處理，要求研磨后兩端軸承室內(nèi)徑值分別為259.99～260.00/279.99～280.00 mm，最終研磨數(shù)據(jù)滿足要求，具體如圖10、表4、表5所示。

圖10 電機(jī)軸承室測量位置示意圖Fig.10 Schematic of motor bearing housemeasuring position

表4 余熱排出泵電機(jī)驅(qū)動端軸承室尺寸

表5 余熱排出泵電機(jī)非驅(qū)動端軸承室尺寸

(3)電機(jī)解體后對軸承更換，發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動端軸承有存在過熱跡象，發(fā)生輕微變色

由于軸承內(nèi)潤滑油脂變質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量不能及時排出，熱量堆積產(chǎn)生高溫，有可能造成軸承局部變色。

此外，在電機(jī)的運輸和轉(zhuǎn)運過程中，當(dāng)通過起伏路面或發(fā)生輕微晃動時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)生竄動，可能造成軸承內(nèi)圈、滾動體以及軸承外圈之間發(fā)生非預(yù)期碰撞，軸承出現(xiàn)輕微缺陷。隨著電機(jī)的運行，缺陷逐步放大，直至引起軸承溫度異常，導(dǎo)致余熱排出泵不可用。

對比3號機(jī)組1、2號余熱排出電機(jī)在安裝、調(diào)試等階段的維修保養(yǎng)記錄，無明顯差異，且兩臺電機(jī)出廠報告均顯示合格。根據(jù)3號機(jī)組1號余熱排出電機(jī)在安裝、調(diào)試階段的反饋，1號余熱排出電機(jī)在運輸過程中并未對電機(jī)鎖軸，故電機(jī)軸承存在缺陷是造成驅(qū)動端軸承溫度高的可能因素之一。

為排除電機(jī)轉(zhuǎn)運過程中未鎖軸對軸承造成損傷的可能，將電機(jī)換下的舊軸承外送檢測。經(jīng)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)通過目視及顯微鏡檢測，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承磨損情況正常，亦沒有發(fā)現(xiàn)由于電機(jī)運輸過程中沒有鎖軸而對軸承造成損傷的明確依據(jù)。

為規(guī)避風(fēng)險，某核電廠在進(jìn)行此次電機(jī)解體工作時，特制作了鎖轉(zhuǎn)子工具進(jìn)行了鎖軸操作，消除了電機(jī)運輸過程中可能對軸承造成損壞的潛在隱患[7]。

3 試驗驗證

3.1 空載試車

對3RRA001MO余熱排出泵電機(jī)進(jìn)行4 h空載試車，試車過程中電機(jī)驅(qū)動端軸承最高溫度85 ℃，最終穩(wěn)定溫度值為34.55 ℃(見圖11)，未出現(xiàn)軸承溫度異常波動。

圖11 3RRA001MO電機(jī)空載驅(qū)動端溫度趨勢Fig.11 Drive end temperature trend during idling test

1)新軸承的滾道面及滾動體表面可能存在部分高點，需要運行一段時間對新軸承進(jìn)行充分磨合；

2)新軸承內(nèi)部充滿油脂，影響軸承散熱，軸承運行初期需要進(jìn)行甩油，甩去軸承內(nèi)部的多余油脂。

3.2 帶載試車

對3RRA001MO余熱排出泵電機(jī)帶載試車82分鐘，試車過程中電機(jī)驅(qū)動端軸承最高溫度47 ℃(見圖12)，至停車時溫度曲線已走平，未出現(xiàn)軸承溫度異常波動。

圖12 3RRA001MO電機(jī)帶載驅(qū)動端溫度趨勢Fig.12 Drive end temperature trend during load test

此后，3RRA001MO余熱排出泵電機(jī)又進(jìn)行了多次起機(jī)(含小流量與全流量工況)，溫度變化趨勢始終穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常上升及波動的情況，驅(qū)動端軸承最高溫度不超過48 ℃、且溫度變化趨勢平穩(wěn)。

4 總結(jié)

本文以解決余熱排出泵電機(jī)驅(qū)動端軸承溫度異常問題為出發(fā)點，介紹了某二代改進(jìn)型核電機(jī)組1號余熱排出泵電動機(jī)多次出現(xiàn)的驅(qū)動端軸承溫度異常情況，通過深入分析、咨詢及同行調(diào)研，排除了潤滑油脂添加錯誤以及余熱排出電機(jī)在運輸轉(zhuǎn)運過程中未鎖軸造成其驅(qū)動端軸承溫度異常的可能。

結(jié)合現(xiàn)場實際分析，判斷問題根本原因為電機(jī)軸承座與軸承外圈公差配合不滿足K6公差帶的要求。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對軸承室打磨處理并進(jìn)行試車，電機(jī)維修后試驗一次合格(含空載試車及帶載試車)，軸承溫度穩(wěn)定無異常波動，各項運行參數(shù)正常，表明余熱排出泵電機(jī)驅(qū)動端軸承溫度異常問題得到了根本解決。