某核電站密封油系統三螺桿泵汽蝕的原因分析和處理

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319)

0 引言

某核電站發電機密封油系統的作用是為發電機密封瓦提供連續的密封油，以保證發電機的氣密性，防止發電機內部氫氣外漏。紅沿河發電機密封油系統采用的是單流環結構，密封瓦的氫側回油回到真空油箱后，通過真空油箱下游的密封油泵重新回到密封瓦中。密封油泵的作用為，將真空油箱中的潤滑油吸出，通過出口的安全三通閥，一部分循環回到入口的真空油箱，進行除氣處理；另一部分送到發電機的密封瓦，以便提供穩定的密封油，防止氫氣外泄。

密封油泵的結構圖如圖1所示，其為三螺桿泵，相關參數如表1。

圖1 密封油泵結構圖

表1 密封油泵參數

1 問題描述

某核電密封油系統自投運以來長期存在密封油泵及出口安全閥產生較大異音，且振動較大的問題。當螺桿泵有異常振動和噪聲后，其作為振動源激勵系統基礎和相連的管路系統，通過相連設備傳遞到系統下游，從而導致系統工作條件的惡化，甚至對設備造成損害。

異音及振動的產生有較大的隨機性及不確定性。主要呈現以下幾個特點：1)1號機組至調試以來從未發生過該問題；2號機啟動初期也未發生過該問題，運行一段時間后才發生該問題；3號機至調試開始即出現較為嚴重的螺桿泵振動和異音增大的問題。2)異音及振動隨著機組狀態的變化也在發生變化。當機組轉速達到1500 rpm運行時，異音較大；當汽機在低轉速或者0轉速時，異音發生過消失的現象，但有時也存在異音。3)當2號機該缺陷處理好后，將相關的措施實施到3號機后，異音仍然存在。

通過以上現象可以認為，導致該問題的產生是一系列原因造成的，并非一個單獨的因素造成螺桿泵產生這種較大的振動和異音問題。

2 原因調查及分析

根據現場觀察，密封油泵在機組正常運行時會產生較大的異音及振動，同時其出口安全閥也同步產生較大的異音和振動，無法準確的判斷是由泵體內部產生還是出口安全閥產生。

通過分析認為產生振動及異音的來源可能如下：出口安全閥頻繁動作、密封油泵損壞、密封油泵及管線松動、密封油泵汽蝕、真空箱氣泡/密封泵出口壓力整定異常，并逐一進行了排查。

2.1 出口安全閥頻繁動作

出口安全閥的作用為，防止密封油泵超壓，維持系統穩定的壓力，并將密封油泵出口的大量潤滑油回流至入口真空箱中，通過內部噴嘴將潤滑油霧化，以達到除氣的作用。

出口安全閥的結構圖如圖2所示，通過閥芯背部的彈簧整定泵出口的壓力。如果閥門發生故障，閥門閥芯頻繁動作，會產生振動及異音。且出口安全閥安裝在密封油泵出口，如果出口安全閥發生振動，會作為振源帶動密封油泵振動?，F場出口安全閥及密封油泵均存在較大的振動。

遂對閥門進行了更換，并對舊的閥門進行解體檢查，解體的閥門閥芯密封線正常，彈簧性能正常，未見可能導致較大異音及振動的缺陷。且更換新的閥門后仍存在較大的振動及異音。說明閥門故障可以排除。

圖2 出口安全閥結構圖

2.2 密封油泵損壞

密封油泵較大的振動及異音可能由泵的損壞導致，在機組大修期間，對密封油泵進行了解體全檢，解體后檢查密封油泵泵腔和螺桿無任何機械損傷。泵體情況良好，未見任何異常。如果由于泵本身的損壞導致，振動及異音將隨著運行時間的增加而逐漸惡化，但是實際運行過程，未有該現象。密封油泵損壞導致該問題發生的可能性較小。

2.3 密封油泵及管線松動

如果密封油泵及其管線松動也會造成密封油泵及其管線發生較大的振動。對密封油泵及管線進行了排查，地腳螺栓及緊固件均未見異常，無松動的部件。

且2、3號機均存在較大的振動及異音，屬于共性缺陷，2臺機組均發生管線松動的可能性極小。

2.4 密封油泵汽蝕

密封油泵內部傳輸的介質為ISO VG 46潤滑油，粘度較高，屬于高粘度介質。因為密封油泵工作介質的粘度較高，因而易發生吸空、汽蝕現象而激發較大的噪聲。

如果泵的汽蝕余量過小，很小的擾動都可能導致泵發生汽蝕，從而產生較大的振動及異音。泵的汽蝕余量如下：

(1)

其中：Pe為吸入池液面壓強；PV為汽化壓強；Hg為幾何安裝高度；∑Hw為流動損失。

(2)

其中：λ為管路沿程阻力系數；Li為吸油管線的長度(m)；ξj為吸油管路彎頭局部阻力系數；v為吸油管內流體流速(m/s)。

通過上述公式可知，影響泵汽蝕余量且現場可調節的主要參數如下：

Pe：吸入池液面壓強；

Hg：齒輪泵幾何安裝高度；

∑Hw：流動損失。

下面對各參數一一進行分析。

2.4.1 吸入池液面壓強

密封油泵入口為真空油箱，該油箱為密封油泵提供連續的潤滑油，同時該油箱對其中的潤滑油進行除氣，為保證其除氣功能，有真空泵持續對真空油箱進行抽真空。通過調整真空油箱的真空度可以改變吸入池的液面壓強，從而提高泵的汽蝕余量。

現場對該分析進行了驗證，將真空箱壓力增大后，密封油泵的振動和異音隨著壓力的增大而減小，直至消失。同時為了避免報警的產生，目前建議真空箱的壓力在15～20 kPa之間。

2.4.2 齒輪泵幾何安裝高度

齒輪泵安裝在真空箱之下，安裝高度為負值，齒輪泵距離液面的距離越大，汽蝕余量越大。由于管道的安裝已經確定，無法進行調整?？梢酝ㄟ^調整真空箱的液位高度，來提高泵的吸入壓頭。

真空油箱液位高度的運行范圍為810～1010 mm，超出該范圍將產生報警，為保證較高的安裝高度及運行要求，目前液位高度均調整至900 mm左右。

2.4.3 ∑Hw流動損失

密封油泵的流動損失如下：

(3)

其中：ξj為吸油管路彎頭局部阻力系數，為定值。僅管路沿程阻力系數λ可變化。

取正常運行的實際參數進行計算：管道內徑d=100 mm；潤滑油溫度45 ℃；吸入真空10 kPa·a；運動粘度38×10-6m2/s；流量Q=417 L/min。

(4)

(5)

為層流向紊流的過渡區，且趨于層流，為簡化計算，按照層流計算公式進行計算：

(6)

其中：流速v、管徑d為定值，僅潤滑油粘度μ隨著溫度的升高而減小。帶入汽蝕余量公式，可知：汽蝕余量與溫度正相關，即溫度升高時，汽蝕余量大；溫度降低時，汽蝕余量小。

由于高粘度泵輸送的介質粘度較高，為減小流動阻力，提高泵的吸液能力，需要提升介質溫度。

現場對該分析進行了驗證，持續觀察振動、異音與溫度的關系，當系統其他條件不變時，振動、異音與溫度的關系如表2所示。

表2 密封油泵油溫及振動、異音的關系

從以上數據可知，當溫度降低時密封油泵會存在振動及異音，且隨著溫度的降低，振動和異音情況會愈加明顯，與理論分析結果一致。

2.5 其他因素

2.5.1 真空箱氣泡

螺桿泵上方為真空油箱，其作用為螺桿泵提供連續的潤滑油，并對回到真空箱的潤滑油進行除氣處理。為滿足除氣的功能要求，其上方有真空泵持續抽真空，且真空箱內存在20個噴嘴，以便對進入油箱的潤滑油進行霧化除氣處理。

但是對真空箱進行解體發現，其內部只有3個噴嘴，其他17個噴嘴均已經拆除。咨詢廠家，廠家反饋在制造廠進行調試實驗時發現當噴嘴過多時，螺桿泵會產生較為嚴重的振動，所以廠家在安裝時即將大量的噴嘴拆除，僅保留了3個噴嘴。

同時對未發生過異音的1號機真空箱進行解體，發現其內部所有噴嘴均已經拆除。

圖3 真空油箱結構圖

分析認為，噴嘴在對潤滑油進行霧化除氣的同時，會產生大量的氣泡，氣泡進入螺桿泵會產生較大的振動和異音，所以對2號機的噴嘴也進行了拆除。但是3號機不存在噴嘴，仍有較大的振動和異音，說明噴嘴產生的氣泡只是加重了泵的振動，并不是唯一的原因。

2.5.2 密封泵出口壓力整定

現場實驗過程發現，通過對螺桿泵出口安全閥進行壓力整定，調整螺桿泵的出口壓力，當泵的出口壓力增大時，泵的異音及振動現象有一定的緩解。且當汽輪機額定轉速運行時，螺桿泵振動及異音較大，但是當盤車狀態時，密封油供油流量下降，螺桿泵的出口壓力增大，異音消失。

相關現象表明，相同條件下，出口壓力越高，自吸性能越好，越不易發生汽蝕問題。這是由于排出壓力越大，介質通過螺桿泵之間及螺桿與螺桿襯套之間從排出腔泄露回吸入腔的量越多，這樣就延緩了泵的吸入腔內汽蝕的發生。

通過以上分析，可知造成密封油泵產生較大異音和振動的原因為泵發生了汽蝕，而導致汽蝕的主要因素為吸入池液面壓強較小，齒輪泵幾何安裝高度不足，且流動損失過大。因上游真空箱內產生的大量氣泡加重了泵的汽蝕現象，由此導致泵的異音和振動較大。

3 處理措施及效果

針對以上原因分析，制定的處理措施如下：2號機在第一次大修期間，將入口罐內的噴嘴拆除，從而減少泵入口的氣泡，降低擾動。通過提高真空箱的液位高度，降低真空箱的真空度來增大泵的汽蝕余量。同時在啟機后重新整定密封油泵的出口壓力。通過以上工作，密封油泵的振動和異音問題得到處理，再未發生該問題。

3號機在首次小修期間，執行了2號機相同的工作。但是啟機后，仍存在較大的振動和異音。通過持續的查找，發現其供油溫度較1、2號機低5℃左右，且波動較大，油溫過低造成潤滑油粘度過大，流動損失過大，導致汽蝕的發生。將密封油泵的供油溫度恢復正常后，振動及異音問題消失。

至此2、3號機密封油泵長期存在的振動及異音問題得到處理。

4 經驗反饋及總結

螺桿泵由于其結構和工作特性，相對其他液壓泵而言，具有自吸能力強、結構緊湊、工作噪聲小、流量壓力脈動小和使用壽命長等優點，其發生汽蝕的可能性較小。所以在最開始處理本問題的過程中，認為汽蝕的可能性較小，簡單的對相關設備均進行了更換和解體檢修，然而問題并沒有得到解決。后續通過對系統的排除分析，最后找到了根本原因。設備異常的處理不僅要關注設備本身，同時也要關注系統對設備的影響。同時針對這種輸送高粘度介質的齒輪泵，其吸油管道內徑應足夠大，并避免狹窄通道或急劇拐彎、減少彎頭，去除不必要的閥門、附件，盡可能地降低泵的安裝高度，縮短吸油管道的長度，以減少壓力損失。管接頭等元件的密封要良好，以防止空氣侵入，從而控制氣穴與汽蝕的發生。