2023年主泵石墨轴瓦磨损原因分析及处理方案精讲.doc

大电机技术 303 主泵石墨轴瓦磨损原因分析及处理方案 胡冬清 （海南核电维修处，海南昌江572733） [] 针对田湾1，2号机组主泵运行一年后轴瓦外表上存在异常磨损情况，本文从多种角度进行了原因分析，并积极采取了针对性措施。从验证结论来看，有效的解决了轴瓦磨损的技术难点，保证了机组正常稳定的运行，其研究成果可为其他电站同类型泵提供参考依据。[关键词] 主泵；渗硅石墨；空化磨损cfd [中图分类号]tm301 [文献标识码]a [文章编号]1000-3983（2023）07-0303-04mainpumpgraphitebearingwearcauseanalysisandtreatmentscheme hudongqing（hainannuclearpowerco.，ltdmaintenancedepartment，changjiang572733，china）abstract：fortianwanunit1，2，oneyearafterthemainpumprunningbearingabnormalwearonthesurface，thispaperanalysisfromtheperspectiveofavarietyofreasons，andactivelytakethecorrespondingmeasures.fromtheauthenticationconclusion，effectivelysolvethebearingwearthetechnicaldifficulties，toensurethenormalandstableoperation，theresearchresultscanprovidethereferenceforotherpowerplantswithtypepump. keywords：mainpump;permeabilityofsilicaink;cavitationandwearcfd 1引言 田湾核电站 一、二号机组主冷却剂泵（以下简称主泵）为立式单级离心泵，采用了水润滑轴承，以水为润滑剂的水润滑轴承具有诸多优点：水不燃烧，没有平安隐患；价格低廉，较之油润滑轴承本钱低，易维护保养；简化润滑轴承系统的结构 图1动轴瓦瓦片及其磨损图 等。 但水润滑方式也带来了一些相应的技术难点和问题，比方：在核电站一个换料周期，主泵运行约一年后，检修人员发现主泵轴瓦外表存在较为明显304 主泵石墨轴瓦磨损原因分析及处理方案2023.№7 的磨损现象（见图1和图2），主泵轴承冷却水释热率监控参数持续上升超过标准线，导致机组停机小修，严重影响了机组的平安稳定运行和经济效益。因此，分析主泵轴瓦磨损产生的机理，并采取有效应对措施刻不容缓。 图2静轴瓦瓦片及其磨损图 2水润滑轴承特性分析 主泵的水润滑轴承动静摩擦副材质均为渗硅石墨СГ-П0.5，是由碳、石墨基体材料经硅化处理形成的，具有摩擦系数小、自润滑性能好、硬度高耐磨损等优点，石墨材料СГ-П0.5摩擦系数和工况的关联性遵循以下图盖尔西－什特里别克曲线。 图3盖尔西－什特里别克摩擦与润滑状态曲线 图4实测的СГ-П0.5对СГ-П0.5摩擦曲线 其中：μ为动力粘度，v为磨擦副线速度，p为磨擦副轴向载荷，f为摩擦系数 图3中i区为液体润滑区，摩擦外表完全为连续的润滑剂膜所分隔开，由低摩擦的润滑剂膜承受载 荷，磨损轻微；Ⅱ区（黄色区域）为混合润滑区，几种润滑状态同时存在，此状态摩擦外表的一局部为润滑剂膜分隔开，承受局部载荷，也会发生局部外表微凸间的接触，以及由边界润滑剂膜承受局部载荷；Ⅲ区为边界润滑区，此状态摩擦外表微凸体接触较多，润滑剂的液体润滑作用减少，甚至完全不起作用，载荷几乎全部通过微凸体以及润滑剂和外表相互作用所生成的边界润滑剂膜来承受。 图4给出了在介质温度为50℃时，不同滑动速度和摩擦副的摩擦系数СГ-П0.5对СГ-П0.5与参数1/p的关系（盖尔西-什特里别克曲线图，在此p-单位负荷n/㎝2）. 主泵轴承在设计工况下v=33.8m/s，p≈200（n/㎝2），对应的f=0.00624，该工况点在斯特里贝克 2023.№7 大电机技术 曲线的Ⅱ区，即混合润滑区。 由斯特里贝克曲线可以看出，随着工况参数的改变，可能导致润滑状态的变化，润滑膜的结构特征发生变化，摩擦系数也随之改变。对应到主泵的运行工况，曲线横坐标中引起磨擦副线速度v变化的因素仅为主泵的转速n，在主泵的起停过程中，转速低于设计工况导致运行工况向曲线左端偏移，甚至进入Ⅲ区边界润滑区，摩擦系数升高。同时，随着不同工况下一回路压力变化，直接影响到轴向载荷p的变化，也影响到摩擦副的运行状态。 综上，使轴瓦摩擦副运行在设计工况下，即混合润滑区，可有效减缓磨损。由于主泵转速和一回路压力变化由机组运行状态决定，无法改变。因此，只能从降低参数p单位轴向载荷寻求解决方案。 3轴瓦磨损机理分析 在历次检修过程中，维修人员对主泵止推轴承进行检查时，发现轴瓦外表出现了疑似水蚀的细沟道（见图1），委托中国核动力研究设计院核燃料及材料国家级重点实验室对轴瓦样品进行了沟道的形貌特征观察，并分析了沟道的形成机理。报告中指出，轴瓦外表细沟道的损坏形式具有明显的空化腐蚀特征。在硅化石墨轴瓦材料中，石墨相最 305弱，最容易产生空化磨蚀。在石墨相中，各处的结合程度也不相同，如石墨是层状材料，层间结合相对较弱，于是空化磨蚀在石墨中结合较弱的部位产生蚀坑。 从流体力学角度分析，主泵轴承室内部件较多，结构复杂，润滑剂在流通这些区域时，压力突降至低于该温度下饱和蒸汽气体压力，就有水蒸汽及溶解在水中的不凝性气体逸出，形成水蒸汽与不凝性气体混合的小汽泡，压力越低，汽泡越多，流体进入高压区后压力上升，当压力恢复到高于液体的饱和蒸汽压力，汽泡在外部高压的作用下，迅速凝结而破裂，在汽泡破裂的瞬间会产生局部空穴，高压水以极高的速度流向这些原本被汽泡占有的空间，形成一个极大的冲击力。由于汽泡中的水蒸汽和不凝性气体来不及在这一瞬间全部凝结和溶解，因此在冲击力作用下又会分成数目众多的小汽泡，再次被高压水压缩和凝结，如此反复屡次直至气泡消亡，即产生“空化〞。 4轴瓦质量影响分析 另外，主泵轴瓦在生产过程中，多孔石墨胚体对工艺参数控制如成型压力、升降温速度和工艺稳定性要求极高，否那么将影响硅化石墨的质量。硅化石墨制备工艺的稳定性控制至今仍是一个世界性难题，譬如俄罗斯硅化石墨轴瓦的成品率至今仍306 主泵石墨轴瓦磨损原因分析及处理方案2023.№7 较低。核电站现场也出现过轴瓦成品在仓库中长时间存放后由于应力释放导致轴瓦外表剥落。即轴瓦的加工质量也是影响主泵运行状态的一个因素。 综合上述分析，除了加强在轴瓦成品验收，轴瓦装配质量方面入手外，降低轴瓦的轴向载荷p，抑制轴承室内空化现象是防止轴瓦磨损的有效措施。 5处理方案 5.1降低轴向载荷的方案 通过主泵制造厂提供的设计文件，影响主泵轴瓦轴向载荷p的影响因素为一回路压力和主泵轴承设置的卸载电磁铁，由于一回路压力不具备调节条件，因此仅对卸载电磁铁进行分析。 但电磁铁仅在启停过程中投用，现投运的逻辑如下： 启泵：当一回路压力大于6.8mpa时，启动主泵过程中投运电磁铁6秒钟； 停泵。在一回路压力大于13mpa的情况下切除主泵时，为减少轴向压力，启动电磁铁自动启动并运行4min后切除（考虑主泵惰转因素）。 如电磁铁可长期投用，可以减小轴瓦承受的轴向载荷，并有效的防止磨损及降低释热量，目前正在主泵制造厂的试验台进行主泵电磁铁长期投用的 试验。 5.2抑制空化现象的方案 为了防止轴瓦外表出现空化，可以通过提高轴承润滑回路压力的方法解决。结合到现场实际， 可以采用下述方法： （1）提高水箱高度 提高轴承冷却水箱高度的方法可有效提高回路 压力，但现场主泵水箱在机组调试初期已提高到反 应堆厂房+48m，不具备继续升高的可能。 （2）将主泵水箱改为封闭式，外置增压泵以提高系统压力 由于对轴承室存在空化现象仅是建立在理论的分析上，无法在台架试验上验证，同时对增加多少压力可以防止空化现象的发生也不得而知。此时，可以采用cfd（计算流体动力学）方法，通过计算机模拟试验，完成主泵轴承室内压力场和速度场的计算工作，根据计算结果判断主泵轴承室内是否存在空化现象，同时确定防止空化现象的发生所需要增加回路压力的定值，为后续主泵水箱技改提供理论依据。 田湾核电站委托中国核动力研究设计院二所对主泵轴承室进行了水力计算，通过对轴承室流场三维建模（见图5），划分网格，边界条件设置，计算及后处理等阶段，在计算机上模拟主泵轴承室内流场状态。计算结果可以直观的显示流场内的压力 2023.№7 大电机技术 分布，图6显示了上部轴瓦动静交界面上的空化压力云图，可以看出上部轴瓦存在空化压力小于0的区域，说明在上部轴瓦发生了空化。 另外通过设置不同的边界条件（调整进口流量、压力），计算不同工况下的流场状态，图7为将轴承室入口压力提高15m后获得的压力云图，从图中可以看出空化现象已经消失。 图5静轴瓦三维建模 图6上部轴瓦动静交界面空化压力云图 根据主泵轴承室cfd水力计算结果，确定对轴承回路外置增压的方法能够有效的缓解和防止空化现象。结合现场的实际情况，在充分地计算、分析及论证的根底上，确定了将主泵水箱封闭，将 307 其他除盐水系统压力引入到主泵水箱以提高轴瓦冷却回路静压头的方案。 2023年6月对二号机组三号主泵水箱进行了封闭改造，2023年11月小修后投用该系统。该泵在改造后释热率参数明显下降，2023年机组大修期间对该泵轴瓦解体检查发现，轴瓦磨损程度较改造前明显减轻，见图8，证明增加轴承冷却回路压力很好的抑制了轴瓦的空化损伤。 图7进口压力提高15m后计算得到的压力云图 图8大修期间3号主泵上推力瓦磨损情况 6结论 针对主泵轴瓦在运行期间外表出现磨损的情308 主泵石墨轴瓦磨损原因分析及处理方案2023.№7 况，从水润滑轴承运行特性角度分析，采取降低轴向载荷的方案，目前正在制造厂进行台架试验，工业运用指日可待。通过对轴瓦磨损外表形貌特征的分析，初步认定主泵运行中石墨轴瓦外表出现了空化腐蚀，并结合cfd方法验证这一分析结果，给出了针对较强的解决方案。实践证明，根据计算结果对轴承冷却水系统实施改造后，能够有效的防止轴瓦外表磨损，保证了电站的平安稳定运行。 [参考文献] [1]龙冲生，唐睿，等.田湾核电站主泵推力轴承 轴瓦外表细沟道成因分析. [2]曾小康，周慧辉.田湾主泵径向止推轴承水力 计算. [作者简介] 胡冬清（1972-），江西万载人，1995年6月毕业于华中理工大学热能动力工程专业，本科学历，一直从事转动机械设备的维修处管理工作，高级工程师，现任海南核电维修处副处长（2023年12月前在田湾核电站工作）。