低壓安注泵及安全殼噴淋泵軸套擦痕問題的原因分析

郭逸

(秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300)

日本福島核電站發生核泄漏以來，全世界對核電站專設安全設施的可靠性更加關注。方家山、福清核電工程百萬千瓦機組采用的是二代加改進型壓水堆核電技術，安全注入系統和安全殼噴淋系統均為專設安全設施，對保證核電站在事故工況下安全停堆以及防止放射性物質向環境泄漏起到至關重要的作用。而低壓安注泵(以下簡稱安注泵)、安全殼噴淋泵(以下簡稱安噴泵)則是安全注入系統和安全殼噴淋系統的核心設備，其安全可靠程度在很大程度上決定了系統的安全可靠程度，因此，對泵的設計、制造、檢驗、試驗要求極高。

在方家山、福清項目中，安注泵、安噴泵由英國克萊德聯合泵業制造生產，在安注泵、安噴泵性能試驗后解體檢查過程中多次發現，泵的6級水潤滑導軸承均出現了不同程度的擦痕。軸套擦痕較多、較深，有些發生在軸套兩側或單側，有些則大面積出現；而軸瓦中擦痕相對較輕。在此，對軸套出現擦痕的問題進行分析，以期找到改進辦法。

1 泵的結構及參數

安注泵及安噴泵的基本參數見表1[1-2]。安注泵、安噴泵結構完全相同，為筒袋式結構，轉子較長，由驅動軸(或稱為上軸)、中間軸、泵軸組成，總長4 503 mm，軸與軸之間由卡套聯軸器連接，整個轉子由1套推力球軸承和6套水潤滑導軸承支承。上軸由推力球軸承和1套水潤滑導軸承支承，中間軸由1套水潤滑導軸承支承，泵軸由4套水潤滑導軸承支承，分別在3個葉輪和1個誘導輪處[3-4]。整個轉子較長，屬立式長軸系列泵，該系列泵的轉子通常的問題是剛性較差，且水潤滑導軸承屬柔性支承，濕轉子的剛性對導軸承的依賴性非常強，如果導軸承的液膜不穩定，甚至發生動靜接觸使得液膜完全破壞，則濕轉子的剛性變差。從實踐經驗上看，這類長軸系列泵容易發生較大的振動并產生動靜碰磨，甚至出現卡轉子故障。

表1 安注泵、安噴泵基本參數

2 軸套存在的問題

安注泵和安噴泵在性能試驗(包括汽蝕試驗)、耐久性試驗(20 h)后解體檢查發現，所有的水潤滑導軸承中配對的軸套與軸瓦均存在擦痕，軸瓦擦痕較輕，軸套擦痕較嚴重，如圖1所示。

圖1 安注泵解體后軸套外觀圖

3 原因分析

3.1 總體分析

從解體檢查的情況看，軸套與軸瓦肯定發生了動靜摩擦，并因此產生了擦痕。該類型泵早期使用在化工行業，因介質中含有大量的顆粒雜質，因此在設計時軸瓦與軸套采用了硬對硬的設計，以滿足有雜質情況下的耐磨性。軸瓦采用的是不銹鋼加襯碳化鎢層(V7級)，而軸套采用的是不銹鋼表面噴鍍碳化鎢(約20～40 μm)。由于該泵軸瓦的表面硬度大于軸套的表面硬度，因此，當發生動靜摩擦時，軸套磨損更為嚴重。

從擦痕位置上看，上軸的1#軸套、中間軸的2#軸套擦痕較輕；而泵軸處的3#，4#，5#，6#軸套擦痕較嚴重。原因有兩點：(1)泵軸距剛性支承點(推力球軸承位置)最遠；(2)整個轉子的載荷主要集中在泵軸處，3個葉輪和1個誘導輪均在泵軸上，在推力球軸承處發生較小的振動，經杠桿效應，放大到泵軸處，振幅比上軸和中間軸處大。

從擦痕的輕重程度來看，可以分成兩類：(1)在軸套的兩側有擦痕，中間部位沒有；(2)整個軸套有大面積的擦痕。

對于第1類情況，分析認為，在轉動過程中，軸發生了傾斜(圖2)，由于軸的傾斜及振動，在軸套與軸瓦的單側或兩側處發生了動靜摩擦，此時軸振動尚小，不足以使軸套與軸瓦產生全面的接觸。

圖2 軸傾斜示意圖

對于第2類情況，軸不僅傾斜，而且擺幅較大，使得軸套與軸瓦產生大面積的接觸，因而使軸套產生了大面積的擦痕。

當然，還存在混合情況，這是因為在同樣的振幅和傾斜情況下，由于轉子不同處跳動大小不同，造成有的地方兩端發生動靜接觸，而有的地方則發生全面的動靜接觸。

3.2 軸傾斜的主要影響因素

影響軸傾斜的主要因素：(1)泵與電動機聯軸器對中的問題；(2)卡套聯軸器。

在實際試驗中，對泵與電動機的聯軸器對中進行了控制，但實際效果并不明顯，對中控制對軸傾斜有影響，但不是關鍵性因素。

卡套聯軸器結構如圖3所示[3-4]，軸與軸之間傳遞扭矩的主要過程為：上軸→鍵+1個螺釘→套筒→鍵+1個螺釘→下軸，中間螺柱也承擔傳遞扭矩的功能，由于無論是鍵槽配合還是螺釘螺柱配合，都是間隙配合，當傳遞的扭矩較大時，都可能產生軸的微小傾斜，因此，卡套聯軸器的結構是造成運轉過程中軸傾斜的重要因素。

1—套筒；2—中間螺柱；3，7—鍵；4—上軸；5—螺釘；6—下軸

3.3 軸擺幅過大的影響因素

對于上述第2類情況，關鍵的問題是軸擺幅超過了動靜配合的間隙值。水潤滑導軸承的動靜配合間隙設計限值見表2[1-2]。

表2 水潤滑導軸承的動靜配合間隙

可以看出，這個配合間隙非常小，最小的誘導輪處水潤滑導軸承的動靜間隙單邊僅為0.06～0.072 5 mm，泵軸的其他處也僅為0.075～0.087 5 mm，如果軸擺幅超過上述配合間隙值則會產生動靜摩擦，影響軸擺幅的因素有軸跳動、軸動態撓度、振動引起的軸位移等因素。

3.3.1 泵軸轉子跳動設計值偏大

泵軸轉子跳動設計值為不大于0.08 mm。從理論上講，如果泵軸轉子跳動達到0.08 mm，無論振動多小，都會發生動靜摩擦。從實際情況看，泵軸轉子跳動最大可達到0.07 mm，由此可知，泵軸轉子跳動設計值偏大。

3.3.2 轉子靜態剛性不足

根據泵的抗震分析報告，安注泵和安噴泵的橫向一階臨界轉速為3 762 r/min(62 Hz)，遠大于泵的額定轉速1 480 r/min(24.7 Hz)。理論上濕轉子的剛性很好，但濕轉子的剛性是基于水潤滑導軸承的軸承效應，如圖4所示[5-6]。在實際運轉過程中，由于發生了動靜摩擦，水潤滑導軸承的液膜局部或完全破壞，則水潤滑導軸承的軸承效應將大打折扣甚至喪失，濕轉子的剛性將嚴重下降，轉子的撓度將加大，此時需考慮轉子的靜態剛度。由轉子靜態剛度的經驗公式得剛度系數為

圖4 轉子軸系示意圖

式中：L為軸承中心距(近似等于泵軸長度，1 630 mm)；W為轉子重量(1 640 N)；D為平均軸徑(60 mm)，則計算得K=740。由圖5可以看出[7]，對于轉速為1 480 r/min的轉子，K值應在350～750，且越小越好，越小則轉子靜態剛度越高，K=740說明轉子剛度已處于允許值的下限。

圖5 軸剛度系數和最大運行轉速的關系曲線

3.3.3 泵實際振動偏大

安注泵和安噴泵的振動設計限值是，在額定流量工況下推力球軸承箱處的振動值不大于2.8 mm/s，而實測中振動的最大值達2.5 mm/s。由于放大效應，并且載荷集中在泵軸處，因此，泵軸處的振動值在4.0 mm/s左右。振動值與峰峰值的換算為[8]

式中：Si為峰峰位移值，μm；Vi為振動值，mm/s；fi為頻率，Hz。以Vi=4.0 mm/s，fi=25 Hz，代入公式得Si=72 μm，故泵軸理論的最大擺幅=跳動值+峰峰值+動態撓度=0.152 mm+動態撓度，已遠遠超過0.06～0.072 5 mm和0.075～0.087 5 mm的單邊間隙，因此，發生動靜摩擦在所難免。

4 改進措施

4.1 制造方面的改進

(1)提高轉子動平衡標準，從G2.5提高到G1甚至G0.663，從理論上改善轉子的振動情況，振動烈度有望控制在1.5 mm/s，振動造成的軸擺幅則可以控制在27 μm左右；(2)提高轉子跳動限值標準，如限制在0.03 mm以內。如能做到這兩點，則轉子總的擺幅將大幅降低，僅為0.06 mm左右，這樣的軸擺幅則不會產生動靜摩擦。

4.2 設計方面的改進

(1)將軸徑加大至80 mm，則K=416，此時轉子的靜態剛度會很好地滿足轉子穩定性的要求。

(2)由于卡套聯軸器的固有缺陷，可采用單軸設計，取消卡套聯軸器，可提高轉子的剛度和穩定性。

(3)將葉輪上置，使主要載荷離剛性支承點更近。如KSB設計的凝泵，其也是立式長軸泵，將葉輪上置，除首級葉輪放置在泵軸處外，其他兩級葉輪均放在上軸上。

(4)采用常規的軟對硬設計。若軸套仍采用鍍碳化鎢，則軸瓦采用浸樹脂石墨，這種設計的優點是有更好的耐磨性。

5 結束語

安注泵和安噴泵作為專設安全設施的核電設備，要具備非常高的可靠性，而在試驗階段頻繁發生動靜摩擦，對泵組的長期穩定運行帶來嚴重的威脅。從泵的設計和制造兩方面對其進行改進，可以從根本上解決軸套擦痕的問題，并為類似的立式長軸泵的設計提供借鑒。