閉式冷卻水泵軸承故障分析

王運喜，喻媛媛，牛柱強

(1. 中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300;2. 中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

閉式冷卻水泵作為核電廠常規(guī)島冷卻水系統(tǒng)的唯一動力源,為常規(guī)島設(shè)備提供冷卻水并帶走輔助設(shè)備排出的熱量,其設(shè)備運行的好壞直接關(guān)系到機組運行的穩(wěn)定性。國內(nèi)某核電廠3,4號機組閉式冷卻水泵均為水平中開式雙吸離心泵,由泵體、泵蓋、機械密封和轉(zhuǎn)子部件組成。轉(zhuǎn)子部件主要由軸及裝在軸上的葉輪、葉輪擋套、軸套組成,軸上零件采用平鍵和圓螺母固定、鎖緊,使之成為一個整體,整個轉(zhuǎn)子由兩端軸承支撐。

1 故障描述

該核電廠3, 4號機組共有6臺閉式冷卻水泵,運行期間多次出現(xiàn)軸承溫度高、振動大的故障,嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。據(jù)統(tǒng)計,2018年,6臺水泵共出現(xiàn)9次軸承溫度高、振動大的故障。

2 故障分析

工作人員對出現(xiàn)軸承溫度高、振動大的水泵進行解體,發(fā)現(xiàn)存在不同程度的驅(qū)動端軸承傳動鍵變形、泵軸上附著水銹、軸承油脂乳化等現(xiàn)象。

結(jié)合泵解體后部件缺陷情況,工作人員從人、機、料、法、環(huán)等5個方面軸承故障進行原因分析,最終將根本原因鎖定在軸套O型密封圈壓縮率偏小,傳動鍵材質(zhì)強度不足,以及軸套數(shù)量過多3個方面。

2.1 軸套O型密封圈壓縮率偏小

閉式冷卻水泵轉(zhuǎn)子部件單邊4個軸套,共計8個軸套。O形圈1規(guī)格為φ90×3.55；O形圈2～4規(guī)格為φ75×2.65。在解體閉式冷卻水泵時,對軸套上的O形圈溝槽進行測量,計算出O形圈壓縮率,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 軸套O形圈溝槽數(shù)據(jù)

根據(jù)國家標(biāo)準GB/T 3452.3—2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈溝槽尺寸》要求,閉式冷卻水泵軸套上徑向安裝、靜密封的O形圈,規(guī)格φ90×3.55推薦的溝槽寬度為4.8 mm,深度為2.9 mm,壓縮率要求為11.5 %～27.5 %；規(guī)格φ75×2.65推薦的溝槽寬度為3.6 mm,深度為2.0 mm,壓縮率要求為13.0 %～28.0 %。

對比國家標(biāo)準GB/T 3452.3—2005,實測確認閉式冷卻水泵部分與O形圈匹配的溝槽偏大,在安裝使用時影響O形圈壓縮量,進而影響閉式冷卻水泵軸套密封效果。

2.2 傳動鍵材質(zhì)強度不足

2.2.1 傳動鍵的相關(guān)參數(shù)

通過光譜檢測,確定閉式冷卻水泵傳動鍵材質(zhì)為35號鋼,其材料性能參數(shù)見表2。

表2 35號鋼材料性能

驅(qū)動端軸承傳動鍵的規(guī)格b×h×l為8 mm×12 mm×32 mm,如圖1所示。

圖1 傳動鍵規(guī)格

2.2.2 35號鋼傳動鍵的力學(xué)性能

傳動鍵的使用需滿足泵在運轉(zhuǎn)中對其施加的剪切力和擠壓力要求,因此,分別進行計算校驗。35號鋼為塑性材料,則：

式(2)中安全系數(shù)k=2.5,塑性材料的σ0=σs。

結(jié)合表2中35號鋼傳動鍵的相關(guān)性能數(shù)據(jù),根據(jù)公式(1)和(2)可計算得出：

許用切應(yīng)力為：

許用擠壓應(yīng)力：

2.2.3 35號鋼傳動鍵的強度校核

查詢閉式冷卻水泵運行維護手冊,確定閉式冷卻水泵的基本參數(shù),見表3。

表3 閉式冷卻水泵基本參數(shù)

傳動鍵處承受的扭矩：

35號鋼傳動鍵,實際承受的剪切力：

式中：F為作用于鍵的剪切力；A為剪切面積。

根據(jù)公式(3)～(5)可計算得出：

35號鋼傳動鍵,實際承受的擠壓力：

式中：Fbs為作用于鍵上的擠壓力；Abs為擠壓面積。

根據(jù)公式(6)～(8)可計算得出：

以上計算結(jié)果表明：35號鋼材質(zhì)傳動鍵實際所承受的切應(yīng)力小于其許用切應(yīng)力,滿足剪切強度的要求；但實際所承受的擠壓力大于其許用擠壓應(yīng)力的下限,在閉式冷卻水泵長時間的運轉(zhuǎn)過程中,傳動鍵會發(fā)生擠壓變形。

2.3 軸套數(shù)量過多

閉式冷卻水泵設(shè)計單邊4個軸套,共計8個軸套。泵葉輪位置及軸套之間密封的密封力均由非驅(qū)動端圓螺母進行固定。

泵軸套數(shù)量多,潛在密封滲漏點多,若在檢修裝配時,軸套與軸套之間存在微小異物,軸套與泵軸的相對同心度超差,會使泵軸非驅(qū)動端圓螺母鎖緊后葉輪位置及軸套之間密封的密封力仍然不足以實現(xiàn)完全密封,導(dǎo)致工作液進入軸承室,引起軸承溫度高、振動大的缺陷。

查閱閉式冷卻水泵歷史檢修記錄,調(diào)查現(xiàn)場閉式冷卻水泵轉(zhuǎn)子部件在安裝軸系軸套O形圈與不安裝軸系軸套O形圈情況下,圓螺母鎖緊后軸頭至非驅(qū)動端軸承外端面距離差最小為0.02 mm,最大為0.08 mm (見表4)。

表4 閉式冷卻水泵軸頭至非驅(qū)動端軸承外端面距離差

工作人員利用假軸制作軸套密封打壓工裝。根據(jù)國標(biāo)GB/T 14211,在軸套組裝完成后,用0.75 MPa的工作介質(zhì)打壓,保壓15 min,查看保壓情況,判斷在安裝軸系軸套O形圈與不安裝軸系軸套O形圈情況下,圓螺母鎖緊后軸頭至非驅(qū)動端軸承外端面距離差對轉(zhuǎn)子部件密封產(chǎn)生的影響,試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 打壓試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)表明：在安裝軸系軸套O形圈與不安裝軸系軸套O形圈情況下,圓螺母鎖緊后軸頭至非驅(qū)動端軸承外端面距離差大于或等于0.05 mm時會對轉(zhuǎn)子部件密封產(chǎn)生影響。閉式冷卻水泵軸套數(shù)量多,檢修難于控制,現(xiàn)場部分閉式冷卻水泵安裝距離差大于或等于0.05 mm時,泵軸非驅(qū)動端圓螺母鎖緊后葉輪位置及軸套之間密封的密封力不足以實現(xiàn)完全密封。

3 故障處理

3.1 選擇材質(zhì)強度足夠的傳動鍵

根據(jù)閉式冷卻水泵傳動鍵實際承受的剪切力和擠壓應(yīng)力,初步確定將鍵的材質(zhì)提升至45號鋼,其材料性能參數(shù)見表6。

表6 45號鋼材料性能

45號鋼為塑性材料,其許用切應(yīng)力[τ]=0.7σb,許用擠壓應(yīng)力[σbs]=(1.7～2.0)×(σ0/k),其中安全系數(shù)k=2.5,塑性材料的σ0=σs。

結(jié)合表6材料性能數(shù)據(jù),可通過上述公式計算得出45號鋼傳動鍵的許用切應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力。

許用切應(yīng)力為：

許用擠壓應(yīng)力為：

根據(jù)2.2.3節(jié)的計算,35號鋼材傳動鍵實際承受的剪切力為183 MPa,擠壓力為235.2 MPa,均小于45號鋼材傳動鍵的許用切應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力。

3.2 設(shè)計葉輪鎖緊螺母進行葉輪定位

針對閉式冷卻水泵軸套數(shù)量過多和軸套O形圈壓縮率偏小導(dǎo)致工作介質(zhì)沿軸滲入軸承室乳化潤滑脂問題,工作人員經(jīng)討論重新設(shè)計泵軸,取消軸套、軸套O形圈,設(shè)計葉輪鎖緊螺母替代原軸套進行葉輪定位。

(1) 主軸設(shè)計為階梯軸,將原軸系軸套及軸套O形密封圈取消,解決工作介質(zhì)從軸系軸套密封處滲入軸承室乳化潤滑脂問題。

(2) 葉輪的調(diào)整及定位采用對兩端的葉輪鎖緊螺母進行調(diào)整的方式,使葉輪定位更加方便。

(3) 葉輪位置主軸軸徑由φ76加大至φ92,擴大葉輪內(nèi)徑,與主軸配合安裝,原泵型的泵體、泵蓋仍可使用,泵原水力性能保持不變。

3.2.1 泵軸的最小軸徑核算

閉式冷卻水泵新設(shè)計主軸采用45號鋼進行調(diào)質(zhì)處理,按45號鋼計算強度τ為：

泵軸傳遞的扭矩Mn為：

可計算得出泵軸的最小軸徑dmin為：

閉式冷卻水泵新設(shè)計主軸的最小軸徑在兩端軸承位置,軸徑為60 mm,且在兩端軸承處有軸套加強,完全能滿足閉式冷卻水泵運轉(zhuǎn)要求。

3.2.2 葉輪強度核算

閉式冷卻水泵葉輪材料采用ZG1Cr18Ni9Ti,葉輪直徑D=400 mm,轉(zhuǎn)速n=1480 r/min,其許用應(yīng)力為：

葉輪受到的最大應(yīng)力公式為：

式中g(shù)=980 cm/s2,γ=0.0073 kg/cm3,μ2=

由此可計算得出：

綜上核算得出,葉輪強度滿足閉式冷卻水泵運轉(zhuǎn)要求。

4 結(jié)束語

閉式冷卻水泵轉(zhuǎn)子部件經(jīng)過針對性改進后,從2019年7月運行至今未再出現(xiàn)軸承溫度高、振動大的缺陷,軸承故障處理取得了良好效果,為機組的安全運行提供了有力保障。同時,引起泵軸承故障的原因是多方面的,重要的是根據(jù)軸承故障時的現(xiàn)象,結(jié)合解體時設(shè)備零部件的異常,準確判斷出軸承故障的根本原因,并由此制定針對性方案,最終將缺陷圓滿解決。